Реферат: Применение эксперимента в экологических исследованиях

--PAGE_BREAK--Глава 3.
Виды экспериментов в экологии
§ 3.1
Измерительные эксперименты
Можно выделить два класса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные). Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной или нескольких точках пространства или времени; пространство или время – это единственные «экспериментальные» переменные или «факторы воздействия». Оценка значимости воздействия по статистическим критериям осуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы.

Рассмотрим пример № 1. Необходимо определить, как быстро разлагаются листья клена на дне озера на глубине 1 м. Для этого делают 8 маленьких мешков из нейлоновой сетки, наполняют каждый из них кленовыми листьями и помещают все вместе в какой-то точке 1-метровой изобаты. Через месяц вынимают мешочки, определяют потерю разложившегося органического вещества в каждом и вычисляют среднюю скорость разложения. В таком виде эта процедура удовлетворительна. Однако она не дает информации о том, как скорость может варьировать в разных точках 1-метровой изобаты. Средняя скорость, которую вычисляют по 8 мешочкам с листьями – слишком скудное основание для обобщения величины «скорости разложения на 1-метровой изобате в озере».

Такая процедура обычно называется экспериментом просто потому, что процедура измерения достаточно трудоемка, и часто включает вмешательство в саму систему. Если бы мы провели 8 измерений температуры или отобрали 8 проб дночерпателем, мало кто назвал бы эти процедуры и их результаты «экспериментальными».

Исторически сложилось, что термин «экспериментальное» всегда использовался в контексте значений «сложное», «трудоемкое», «подразумевающее вмешательство, и это неизбежно будет продолжаться.

В экологии существуют сравнительные измерительные эксперименты.

Рассмотрим пример № 2. Предположим, что необходимо, используя процедуру примера 1, выяснить, отличается ли скорость разложения кленовых листьев между 1-метровой и 10-метровой изобатами. Для этого помещают 8 мешочков с листьями на 1-метровую изобату и другие 8 мешочков на 10-метровую, ждут месяц, извлекают мешочки и получают данные. Затем применяют статистический критерий (например, t-критерий или U- критерий), чтобы узнать, имеется ли достоверное различие скорости разложения в двух точках.


Этот опыт можно было бы назвать сравнительным измерительным экспериментом. Хотя использовались две изобаты (или два „уровня воздействия“), полноценная проверка научных гипотез, присущих манипулятивным экспериментам, проведена не была. Измеряют свойство системы в двух точках внутри нее и оценивают, существует ли реальное различие (»эффект воздействия") между ними.

Чтобы достигнуть не слишком четко сформулированную цель в примере 1, любой тип пространственного размещения 8 мешочков по изобате, в принципе, был бы приемлемым. В примере же 2 определили цель как сравнение двух изобат в отношении скорости разложения кленовых листьев. Поэтому нельзя расположить наши мешочки в одном месте на каждой изобате. Это не даст никакой информации об изменчивости скорости разложения от точки к точке вдоль изобаты. Такую информацию необходимо получить, прежде чем обоснованно применять статистический критерий для проверки нулевой гипотезы о том, что скорость разложения одинакова на двух изобатах. Поэтому нужно рассеять мешочки на каждой изобате некоторым подходящим образом. Существует много путей выбора такого размещения. В идеальном случае позиции вдоль каждой изобаты должны выбираться случайно, но мешочки могут быть расположены индивидуально (8 точек), либо группами по две (4 точки) или по четыре (2 точки).

Размещение повторных выборок или измерений в пространстве (или времени) подходящим образом, соответствующим конкретной проверяемой гипотезе, – наиболее критичный аспект планирования измерительных экспериментов.

Рассмотрим мнимые повторности в измерительных экспериментах.

Для этого обратимся к примеру № 3. Предположим, что расположили все 8 мешочков в одном месте на каждой из изобат. Так случилось, что одна из точек лежит на 1-метровой изобате, а вторая – на 10-метровой. Выявленное достоверное различие между ними не может быть корректно интерпретировано как различие между двумя изобатами, т.е. как свидетельство «эффекта воздействия». Такое выявленное достоверное различие не более того различия, которое мы обнаружили бы, поместив два набора по 8 мешочков в двух точках на одной и той же изобате.

Если настаивают на интерпретации проверки гипотезы в примере 3 как «эффекта воздействия» с констатацией реальных различий между изобатами, совершают ошибку, связанную с тем, что называют мнимой повторностью. В целом в измерительных экспериментах мнимые повторности часто являются следствием того, что реальное физическое пространство, из которого формируются выборки (либо в котором проводятся измерения), меньше, либо более ограничено, чем то, которое фигурирует в гипотезе. В манипулятивных экспериментах мнимые повторности проявляются в результате использования статистических методов для проверки гипотезы об эффекте воздействия по данным из экспериментов, в которых либо воздействия вообще не имели повторностей (хотя могло быть несколько выборок), либо эти повторности не были статистически независимы. Таким образом, мнимые повторности относятся не к проблеме планирования эксперимента (или выборочного процесса) как такового, а скорее к определенной комбинации планирования эксперимента (или выборочного процесса) и статистического анализа, который неадекватен для проверки поставленных гипотез.

Явление мнимых повторностей широко распространено в литературе, как по измерительным, так и по упраляемым экспериментам. Оно может появиться во многих обличиях. (См. 13.)
§ 3.2
Управляемые эксперименты
Если в измерительном эксперименте, как правило, изучается единственная ситуация с одним воздействием, то управляемый (манипулятивный) эксперимент уже учитывает воздействие на двух или более уровнях фактора и имеет целью осуществление одного или более сравнений. Определяющая черта управляемого эксперимента состоит в том, что различные экспериментальные единицы получают различные уровни воздействия и распределение воздействий по экспериментальным единицам делается случайным (или, по крайней мере, может быть сделано таковым).

Рассмотрим специфические черты управляемых экспериментов.

Манипулятивное экспериментирование сталкивается с несколькими классами потенциальных проблем. В табл. 1 они обозначены как “источники недоразумений”: эксперимент успешен в той степени, в которой его результаты не дискредитированы этими факторами. В задачу планирования эксперимента входит минимизация воздействия факторов из источников, пронумерованных от 1 до 6. Для каждого потенциального источника приведены один или несколько способов планирования эксперимента, которые ответственны за эту минимизацию. Большинство таких способов обязательно. Улучшения на этапе выполнения эксперимента могут еще более уменьшить эти источники ошибок. Однако такие улучшения не могут заменить обязательные составляющие плана эксперимента: контроль, повторность, рандомизацию (или случайный отбор, используется для создания простых случайных выборок), перемешивание.

Всегда можно предположить, что некоторые источники некорректности в конкретном случае не важны, и соответствующим образом упростить план эксперимента и его процедур. Это сэкономит значительный объем работы. Однако сущность управляемого эксперимента в том, что правомерность его заключений не зависит от соответствия таких предположений объективной реальности.

От последнего источника некорректности в списке таблицы план эксперимента не может быть защищен. Значение сверхъестественного и несверхъестественного вмешательства будет кратко пояснено ниже.
Таблица

Потенциальные источники некорректностей в эксперименте и средства минимизации их влияния

«Контроль»– это термин, имеющий несколько значений в контексте планирования эксперимента. В таблице он употребляется в наиболее традиционном значении, т.е. как любая выборка измерений, с которой сравниваются другие выборки, получившие воздействие. Контрольным воздействием может быть как нижний или нулевой уровень фактора, изучаемого в эксперименте, так и «процедурное» воздействие (например, мыши с введенным солевым раствором используются в качестве контроля по отношению к мышам с введенным солевым раствором и лекарственным препаратом), или просто иное воздействие.

По крайней мере, при экспериментировании с биологическими системами контроль необходим, в первую очередь, вследствие того, что биологические системы меняются со временем. Если бы мы могли быть абсолютно уверены, что данная система обладает постоянными свойствами, тогда не было бы необходимости в отдельной контрольной группе. Измерения на экспериментальной единице до воздействия могли бы служить тогда контролем для измерений на экспериментальной единице после воздействия.

Во многих типах экспериментов контрольные измерения имеют вторую функцию: выделить влияние эффекта в числе прочих различных аспектов экспериментальной процедуры. Так, в примере с мышами воздействие «только солевым раствором» представляется обязательным контролем. При некоторых обстоятельствах могут быть полезными дополнительные контрольные воздействия, такие как «только введение иглы» или «отсутствие манипуляций».

Более широкое и, возможно, более полезное (хотя и менее традиционное) определение «контроля» включает все обязательные атрибуты плана, приведенные рядом с «источниками недоразумений» под номерами 1 — 6 (таблица). «Контроль» в строгом смысле отслеживает дрейф во времени и влияние технических процедур реализации эксперимента. Рандомизация компенсирует (т.е. снижает или исключает) потенциальные отклонения, вносимые экспериментатором при назначении воздействий экспериментальным единицам и при осуществлении других процедурных действий. Повторности учитывают стохастический фактор, т.е. внутреннюю изменчивость выборок, присущую экспериментальному материалу или внесенную экспериментатором, либо возникшую вследствие несверхъестественного вмешательства. Перемешивание компенсирует регулярную пространственную неоднородность свойств среды, куда помещаются экспериментальные единицы, обусловленную как ее исходным состоянием, так и возможным несверхъестественным вмешательством.

В этом контексте представляется точным утверждение о том, что эксперимент без повторностей – это эксперимент без контроля, поскольку он не учитывает стохастический фактор. Однако обычай разделять повторность и контроль как отдельные аспекты плана эксперимента настолько прочно утвердился, что термин «контроль» будет далее использоваться только в узком традиционном смысле.

Третье значение контроля в экспериментальном контексте состоит в регуляции условий, в которых проводится эксперимент. Это может относиться к гомогенности экспериментальных единиц, к точности конкретных процедур воздействия, или, что наиболее часто, к учету неоднородности физической среды, в которой проводится эксперимент. Так, некоторые исследователи могут говорить об эксперименте, поставленном на белых мышах в лаборатории при температуре 25±1єC, как о «лучше контролируемом» по сравнению с экспериментом, поставленном на диких мышах в поле, где температура меняется от 15є до 30є. Это – неудачное выражение, потому что «чистота» контрольных воздействий в эксперименте не зависит от той степени, с которой физические условия среды ограничиваются или регулируются. От такой регуляции также не зависят ни обоснованность эксперимента, ни результаты статистического анализа; если нет ошибок в плане или статистическом анализе, то доверие, с которым мы можем отбросить нуль-гипотезу, отражается исключительно значением р-вероятности. Эти факты мало понимаются многими лабораторными учеными.

Неверный смысл, который вкладывается в понятие контроль, частично происходит от ошибочного толкования древней максимы: “Сохраняй постоянными все переменные, за исключением той, которая подлежит изучению”. Она относится не к временной стабильности, которая, в общем, не имеет значения, а только к желательной идентичности экспериментальных и контрольных систем во всех отношениях, за исключением воздействующей переменной и производимой ею эффекта.

Повторности, рандомизация и независимость. Как повторности, так и рандомизация имеют две функции в эксперименте: они улучшают оценку базовых статистик и повышают обоснованность применения статистических критериев. В таблице подразумевается их роль в оценке статистических параметров выборок. Повторности снижают эффекты «шума» (т.е. случайной изменчивости или ошибки), увеличивая, таким образом, точность оценки, например, выборочного среднего или различий между двумя выборками. Рандомизация компенсирует возможные возмущения, вносимые экспериментатором, увеличивая правильность оценок.

Каким именно путем рандомизированное распределение уровней воздействий по экспериментальным единицам обеспечивает обоснованность эксперимента? Четкий и краткий ответ встречается нечасто. Рандомизация гарантирует “гораздо больше, чем просто отсутствие отклонений в эксперименте”, хотя и это важно. Она гарантирует, что в среднем «ошибки» распределены независимо и что “пары участков с одинаковым воздействием расположены не ближе друг к другу, или, наоборот, дальше, или еще каким-либо разумным образом неотличимы от любой другой пары участков с различным воздействием”, за единственным исключением эффекта самого воздействия. В терминах математической статистики отсутствие независимости ошибок препятствует выяснению α-вероятности ошибки первого рода. Действуя в соответствии с процедурой проверки статистических гипотез, мы можем, например, задаться критическим уровнем значимости αкр = 0.05 и искать соответствующее значение р-вероятности для подходящей тест-статистики. Однако, если ошибки не независимы, истинный уровень значимости будет выше или ниже 0.05, но в любом случае численное его значение останется неизвестным. Таким образом, интерпретация статистического анализа становится достаточно субъективной.

Под вмешательством понимается вмешательство случайных событий в текущий эксперимент. Этот тип вмешательства встречается в любой экспериментальной работе, внося «шум» в данные. Чаще всего влияние единичного стохастического возмущения неизмеримо мало. Однако по определению, природа, величина и частота таких случайных событий непредсказуемы, так же как и их следствия. Если возмущение оказывает воздействие на все экспериментальные единицы независимо от уровня воздействия, то проблемы нет. Любое изменение погоды во время полевого эксперимента будет примером такого «случайного» события. Больше проблем несут случайные события, влияющие на одну или несколько экспериментальных единиц. Экспериментальное животное может умереть, может случиться инфекция или сбой в обогревательной системе. Некоторые случайные события могут быть обнаружены, но таковых – не большинство. Экспериментаторы обычно стремятся минимизировать появление случайных событий, потому, что они снижают чувствительность эксперимента в обнаружении эффекта воздействия. Однако не менее важно минимизировать вероятность ошибочного заключения о присутствии эффекта воздействия, когда его нет. Повторности и перемешивание воздействий обеспечивают лучшую страховку от случайных событий, имитирующих такие фальшивые эффекты воздействия. (См. 13.)


Заключение

Нами рассмотрена тема: «Применение эксперимента в экологии». Для решения поставленных во введении задач в первой главе мы рассмотрели специфику эмпирических исследований; во второй главе мы проанализировали понятие «эксперимент в экологии»; в третьей главе показали виды экспериментов в экологии. Рассмотрим итоги нашей работы.

Научное исследование начинается со сбора, систематизации и обобщения фактов. Эмпирический опыт никогда – тем более в современной науке – не бывает слепым: он планируется, конструируется теорией, факты всегда теоретически нагружены. Поэтому исходный пункт науки – это не сами по себе предметы, не голые факты, а теоретические схемы.

Одним из важнейших методов эмпирического исследования является эксперимент. От правильно проведенного эксперимента зависит эмпирический базис исследования и дальнейшее построение теоретической конструкции, необходимой для решения конкретных экологических проблем.

Эксперимент – активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях». (3, С. 342) В эксперименте объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заданные условия, которые отвечают целям исследования. В ходе эксперимента изучаемый объект изолируется от побочных влияний, затемняющих его сущность, и представляется в «чистом виде». Конкретные условия эксперимента не только задаются, но и контролируются, модернизируются, многократно воспроизводятся и изменяются.

Экология имеет свою специфику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Важнейшее значение в экологии имеет эксперимент.

Задачей экологического эксперимента является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов вискусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние.

Можно выделить два класса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные). Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной или нескольких точках пространства или времени; пространство или время – это единственные «экспериментальные» переменные или «факторы воздействия». Оценка значимости воздействия по статистическим критериям осуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы.

В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментов широких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач.

Литература
1.                 Агроэкология. Методология. Технология. Экономика/В. А. Черников, И. Г. Грингоф, В. Т. Емцев и др.; Под ред. В. А. Черникова, А. И. Чекереса. – М.: КолосС, 2004 – 400 с.

2.                 Герасименко В. П. Практикум по агроэкологии. Учебное пособие – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 432 с.

3.                 Кохановский В. П., Лешкевич Т. Г., Матяш Т. П., Фатхи Т. Б. Основы философии науки: Учебное пособие для аспирантов. Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 608 с.

4.                 Салова Т. Ю., Громова Н. Ю., Шкрабак В. С., Кармашев Г. А. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии: Учебник для вузов. – СПб.: Издательство «Лань», 2004 – 336.

5.                 Стифеев А. И. Экологическая экспертиза: Учебное пособие / А. И. Стифеев, В. И. Сухарев. – Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2007. –

63 с.

6.                 Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность: Учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. — 2-е изд., перераб. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 480 с.
    продолжение
--PAGE_BREAK--