Применение эксперимента в экологических исследованиях

Применение эксперимента в экологических исследованиях

31

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курский государственный университет»

Кафедра общей биологии и экологии

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Методы экологических исследований» на тему:

Применение эксперимента в экологических исследованиях

Выполнила: студентка 3 курса

ЕГФ (второе высшее)

Федотова Наталья

Проверил: кандидат

биологических наук

Миронов С. Ю.

Курск - 2011

План

Введение

Глава 1. Особенности эмпирических исследований

§ 1.1. Понятие эмпирического исследования в науке

§ 1.2. Структура эмпирического уровня научного знания

§ 1.3. Эксперимент - метод эмпирического исследования

Глава 2. Эксперимент в экологии

§ 2.1. Понятие экологического эксперимента

§ 2.2. Стадии экологического эксперимента

Глава 3. Виды экспериментов в экологии

§ 3.1. Измерительные эксперименты

§ 3.2. Управляемые эксперименты

Заключение

Литература

Приложение. Примеры экологических экспериментов

Экологический эксперимент Эко-Виикки

Экологический эксперимент на Белоярском водохранилище

Экологический эксперимент в Перу

Введение

Мы обратились к данной теме по совету научного руководителя. В процессе написания реферата мы пришли к выводу, что тема является актуальной, глубокой и многогранной.

Проблема: Эффективность, достоверность эмпирической базы экологических исследований.

Актуальность темы: Учитывая нарастание экологических проблем и даже переход некоторых из них в стадию экологического кризиса, необходима интенсификация исследований в области экологии. 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.

Объект исследования: Экологическое исследование.

Предмет исследования: Применение эксперимента в экологических исследованиях.

Цель: Выявление различных видов эксперимента в экологических исследованиях. В соответствии с целью исследования мы обратились к решению следующих задач.

Задачи: Определить особенности экологических исследований. Рассмотреть эмпирический уровень экологических исследований. Уяснить зависимость видов экспериментов от специфики конкретных экологических исследований.

Для реализации задуманного в первой главе планируем рассмотреть специфику эмпирических исследований. Во второй главе мы ставим задачу проанализировать понятие «эксперимент в экологии». В третьей главе следует подчеркнуть многообразие экспериментов в экологии.

Глава 1. Особенности эмпирических исследований

§ 1.1 Понятие эмпирического исследования в науке

Научное познание есть процесс, иными словами, развивающаяся система знания, которая включает в себя два уровня - эмпирический и теоретический. Они связаны, но каждый из них имеет свою специфику.

Нас интересуют эмпирические исследования. Исследуемый объект отражается со стороны внешних связей и проявлений. Характерные признаки эмпирического познания - сбор фактов, их первичное обобщение, описание наблюдаемых и экспериментальных данных, их систематизация, классификация и иная фактофиксирующая деятельность.

Научное исследование начинается со сбора, систематизации и обобщения фактов. Понятие «факт» имеет несколько значений:

1. Фрагмент действительности.

2. Знание о явлении, достоверность которого доказана.

3. Предложение, фиксирующее эмпирическое знание, то есть полученное в ходе наблюдений и экспериментов.

Необходимо помнить, что сами по себе факты не могут подвести к формулировкам законов, всегда необходима теоретическая обработка фактов. Но главным итогом эмпирического уровня являются именно факты. Без них невозможно продвижение в исследовании. В научном исследовании факты играют двоякую роль: совокупность фактов образует эмпирическую основу для выдвижения гипотез и построения теорий; факты имеют решающее значение в подтверждении теорий или их опровержении.

Но в тоже время не следует гнаться за бесконечным количеством фактов. Полученные факты должны быть вписаны в ту или иную теоретическую систему. Ученый не вслепую ищет факты, а всегда руководствуется при этом определенными целями.

Таким образом, 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.

§ 1.2 Структура эмпирического уровня научного знания

При всей близости содержания чувственного и эмпирического знания, (в одном случае - множество чувственных образов, а в другом - множество эмпирических высказываний), между ними нет, и не может быть отношения логической выводимости одного из другого. Это означает, во-первых, что эмпирическое знание неверно понимать как логическое обобщение данных наблюдения и эксперимента, а, во-вторых, что данные наблюдения и эксперимента логически не выводимы из эмпирических высказываний. Между ними существуют другие типы отношений: моделирование (репрезентация) и интерпретация (реконструкция). Эмпирическое знание является репрезентацией чувственного знания, а последнее - одной из форм интерпретации эмпирического знания.

Отношение логической выводимости имеет место внутри эмпирического знания. При этом последнее имеет довольно сложную структуру. Однако, исходным, первичным элементом эмпирического уровня знания являются единичные высказывания. Это так называемые протокольные предложения. Они представляют собой оформление результатов единичных наблюдений. При составлении протоколов обычно фиксируется точное время и место наблюдения.

Наука - в высшей степени целенаправленная деятельность. Наблюдения и эксперименты осуществляются в ней не случайно или бессистемно, а, как правило, целенаправленно: для подтверждения или опровержения какой-то идеи или гипотезы. Поэтому говорить о «чистых», незаинтересованных, немотивированных какой-либо теорией наблюдениях (и, соответственно, протоколах наблюдения) в развитой науке не приходится. Вторым элементом эмпирического уровня знания являются факты. Научные факты представляют собой индуктивные обобщения протоколов. Факты это общие утверждения статистического или универсального характера. Они фиксируют наличие некоторых свойств и отношений исследуемой предметной области и часто их количественную определенность. Символическими представлениями этих свойств и отношений являются графики, диаграммы, таблицы, классификации, математические модели и т.д.

Третьим элементом эмпирического уровня знания являются эмпирические законы различных видов (функциональные, причинные, структурные, динамические, статистические и т.д.). Научные законы есть фиксации особого вида отношений между событиями, состояниями или свойствами. Научные эмпирические законы (как и факты) являются результатом обобщений. Индуктивное восхождение от частного к общему, как правило, является неоднозначным выводом и способно дать в заключении только предположительное, вероятное знание, постольку эмпирическое знание само по себе является гипотетическим. Наиболее общим видом эмпирического научного знания являются так называемые феноменологические теории, которые представляют собой логически организованное множество, систему эмпирических законов (феноменологическая термодинамика, небесная механика Кеплера и др.). Являясь высшей формой организации эмпирического знания, феноменологические теории, тем не менее, и по характеру своего происхождения, и по возможностям обоснования остаются гипотетическим, предположительным знанием. И это связано с тем, что индукция, т.е. обоснование общего знания с помощью частного (данных наблюдения и эксперимента) не имеет доказательной логической силы, а в лучшем случае - только подтверждающую.

Эмпирическое знание является категориальной структуризацией чувственной реальности, представляя ее в том или ином аспекте и с различной степенью полноты. С точки зрения полноты эмпирическое знание беднее чувственного знания, представляя только часть его содержания. Эмпирический объект суть сторона, аспект чувственного объекта, а последний, в свою очередь, есть аспект, сторона «вещи в себе». Таким образом, эмпирическое знание представляет собой абстракцию третьей ступени по отношению к миру «вещей в себе».

Различие между разными единицами эмпирического знания имеет скорее количественный характер, нежели качественный. Они отличаются лишь степенью общности представления одного и того же содержания (знания о чувственно наблюдаемом). Отличие же эмпирического знания от теоретического уже является качественным, так как эти уровни знания относятся к существенно различным типам реальности.

§ 1.3 Эксперимент - метод эмпирического исследования

В эмпирическом исследовании используются специфические методы: наблюдение, эксперимент, в том числе мысленный, описание с элементами объяснения, измерение, сравнение. В данном параграфе мы рассмотрим эксперимент.

Обратимся к определению эксперимента. «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.

Эксперимент осуществляется, как взаимодействие объектов, протекающее по естественным законам; как искусственное, человеком организованное действие. Любой научный эксперимент всегда направляется какой-либо идей.

Рассмотрим особенности эксперимента.

1)Сравнивая эксперимент с наблюдением, следует отметить, что эксперимент является более активным по отношению к объекту. В ходе опытного исследования объект может быть преобразован.

2) Эксперимент может быть многократно повторен в целях дальнейшего исследования.

3)Именно опытным путем ученый может обнаружить такие свойства объекта, которые никак не проявляются в естественных условиях.

4)Важной чертой эксперимента является возможность варьирования условий его проведения. (3, С. 343)

Каковы стадии эксперимента?

В методологии науки принято выделять 4 стадии опытных исследований.

1) Планирование эксперимента.

2) Построение эксперимента, включающее цель, тип, средства, методы и т.д.).

3) Контроль эксперимента.

4) Теоретическое обобщение результатов эксперимента.

Рассмотрим структуру эксперимента.

1) Субъект исследования, тот, кто проводит опыт.

2) Объект исследования, то на что направлен опыт.

3) Научное оборудование. Сюда же относятся приборы, которые являются своеобразными усилителями органов чувств. Они позволяют исследовать то, что недоступно наблюдению. Совокупность научных приборов объединяются в сложные экспериментальные установки. При всей значимости приборов они могут оказывать негативное воздействие на проведение эксперимента, поэтому исследователь должен свести к минимуму эти воздействия.

История науки показала, что научное открытие приводит к совершенствованию экспериментальной техники.

4) Методика проведения эксперимента, зависящая от области и предмета исследования.

5) Теоретическая гипотеза, которую требуется подтвердить или опровергнуть в ходе опыта.

Эксперимент имеет две возможные функции: опытная проверка гипотез и теорий, а также формирование новых концепций. В зависимости от функций выделяют виды научных опытов: поисковые, контрольные (проверочные), воспроизводящие, изолирующие и т. д.

Различные виды экспериментов можно выделить и в зависимости от характера исследуемых объектов. Выделяют физические, химические, биологические, социальные и другие эксперименты.

Также различают качественные и количественные эксперименты. Качественный эксперимент имеет целью установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления. Количественный эксперимент выявляет количественную определенность какого-либо свойства изучаемого явления. Этот опыт более сложен, чем качественный.

Глава 2. Эксперимент в экологии

§ 2.1 Понятие экологического эксперимента

В экологии часто используются методы, применяемые в других науках, как в биологических (биогеохимия, анатомия, физиология, и др.), так и небиологических (физика, химия, геодезия, метеорология и др.). Но для выявления специфики экологических закономерностей существуют исключительно собственные - экологические методы. Они делятся на полевые, лабораторные, экспериментальные, количественные (математическое моделирование) методы.

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. Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нём, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. на совместное воздействие этих факторов при строгом учёте сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности.

Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это даёт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ. 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.

Эксперимент может носить и самостоятельный характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища). 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. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения - вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга. (См. 9.)

Экспериментальные методы отличаются от полевых тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно дозировать размер изучаемого фактора, следовательно, можно точнее, чем при обычном наблюдении, оценить его влияние. При этом выводы, полученные в лаборатории, требуют обязательной проверки в полевых условиях.

В качестве примеров экологических экспериментов можно привести исследования осветления насаждений, влияния разных доз удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры и т.д. Широко известен метод изучения конкурентных взаимоотношений деревьев в лесу путем ограничения определенной площади (площади питания). (См. 8.)

§ 2.2 Стадии экологического эксперимента

Эксперимент включает 5 последовательных стадий: гипотеза, планирование, реализация, статистический анализ и интерпретация. Гипотеза обладает первоочередной важностью, поскольку если она не удовлетворяет некоторым критериям качества, то даже самый правильно проведенный эксперимент будет иметь не слишком большую ценность.

Под планированием эксперимента понимается лишь логическая структура исследования. Полное описание целей эксперимента должно включать спецификацию природы используемых экспериментальных единиц, число и характер применяемых воздействий (включая "контрольные" воздействия), а также свойства или отклики (параметры экспериментальных единиц), которые предполагается измерять. Когда решение по этим вопросам принято, план эксперимента определяет схему, согласно которой для каждой доступной экспериментальной единицы назначается уровень воздействия. При этом определяется число экспериментальных единиц (повторностей), получающих воздействие каждого уровня, устанавливается физическое расположение экспериментальных единиц, а также частота или временная периодичность, с которой реализуются воздействия и осуществляются измерения контролируемых факторов на различных экспериментальных единицах.

Реализация эксперимента включает весь комплекс процедур и операций, в отношении которых осуществлялось планирование. Успешное осуществление в равной мере зависит от искусства экспериментатора, его проницательности и рассудительности, а также от его технических навыков. Непосредственной задачей исследователя обычно является выполнение технических операций эксперимента таким образом, чтобы избежать систематических ошибок (отклонений) и минимизировать случайные ошибки. Если изучается влияние хищника, охотящегося в приливной зоне, то расположение клеток, блокирующих хищника, не должно иметь прямого влияния на поведение экосистемы, за исключением самого хищника. Если изучается влияние питательных веществ на биомассу планктона в пруду, то отбор проб должен выполняться посредством устройства, производительность которого не зависит от обилия планктона. Систематические ошибки, допущенные как в распределении воздействий, так и в процедурах измерения или отбора проб, делают эксперимент некорректным, а его выводы неубедительными.

Субъективным образом также решается вопрос о том, какова допустимая или желательная изначальная гетерогенность между экспериментальными единицами и в какой степени следует регулировать условия среды в ходе эксперимента. Эти обстоятельства влияют на величину случайных ошибок и потому - на оценку чувствительности изучаемых объектов по отношению к воздействию. Они также влияют на конкретную интерпретацию результатов, хотя сами по себе цели исследования не определяют.

Из изложенного ясно, что планирование эксперимента и особенности его реализации в равной степени определяют обоснованность исследования и его итоги. Хотя в практическом смысле реализация - это более критичный аспект эксперимента, нежели его планирование. Действительно, ошибки при осуществлении эксперимента обычно возникают в большем числе этапов исследования, более многообразны и часто более коварны, чем ошибки при планировании. Следовательно, погрешности реализации обнаружить обычно сложнее, чем просчеты в планировании, как самому экспериментатору, так и читателю его отчетов. Именно эти коварные эффекты ошибок, которые иногда просто невозможно обнаружить, делают этап реализации наиболее ответственным за корректность конечного результата исследования. Однако ошибки процесса реализации эксперимента далее рассматриваться не будут, несмотря на столь важное их значение как источника проблем.

В экспериментальной работе основная функция статистики - увеличить четкость, выразительность и объективность, с которыми результаты представляются и интерпретируются. Статистический анализ и интерпретация - наименее критичные аспекты экспериментирования в том смысле, что если допускаются чисто статистические или интерпретационные ошибки, то данные могут быть проанализированы заново. В то время как единственным абсолютным средством исправления ошибок планирования или реализации является только повторение эксперимента.

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 б-вероятности ошибки первого рода. Действуя в соответствии с процедурой проверки статистических гипотез, мы можем, например, задаться критическим уровнем значимости бкр = 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 в искусственно 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.

Интернет-ресурсы:

7. http://www.ccr.ru

8. www.botsad.ru

9. www.eсоsystеmа.ru

10. www.ievbran.ru

11. www.ecosro.ru

12. kp.ru/daily/

13. www.ievbran.ru

Приложение

Экологический эксперимент Эко-Виикки

Экологический район Эко-Виикки возник в результате проведения нескольких проектно-архитектурных конкурсов по линии городской администрации Хельсинки и Министерства окружающей среды Финляндии. Ранее данный участок находился в распоряжении Хельсинского университета, представляя собой экспериментальную площадку, и поэтому хорошо подходил для разработки здесь методик устойчивого экологичного строительства, внедрения энергосберегающих решений, применения технологий солнечной энергии. После победы на конкурсе проекта под условным названием "Зеленые пальцы" были сформулированы экологические установки для зданий. Среди вариантов энергосбережения по возможности стимулируется использование солнечной энергии с задачей обеспечения 50% потребности жилых помещений в отоплении и горячей воде. В стандартах предусмотрено потребление отопительной энергии на уровне 105 кВт/ч на кв. м, что на 34% ниже общепринятых нормативов в 160 кВт/ч на кв. м.

Хотя район Эко-Виикки и получает теплофикационную энергию по системе центрального отопления с ТЭЦ, Горэнерго Хельсинки признает необходимость демонстрационных проектов по солнечной энергии с применением различных технологий - от встроенных солнечных батарей на крышах до отдельных солнечных блоков, установленных на подсобных помещениях во дворах. Солнечные коллекторы монтируются под разным углом наклона из модулей различного размера (крупнейшие модули - по 10 кв. м были подняты на крыши при помощи монтажных кранов). Общая площадь солнечных коллекторов на девяти площадках (две объединены в одну систему) составила 1248 кв. м. Большинство объектов представляют собой многоэтажные жилые дома, хотя часть квартир и расположена в малоэтажных блокированных домах типа "таун-хаус".

Эксплуатационные показатели 17 зданий в районе Эко-Виикки, включая дома с установками солнечной энергии, контролируются с самого начала, т. е. с 2000-2001 гг. Текущий анализ показывает, что, помимо прочих положительных результатов, три объекта солнечной энергии демонстрируют высокую энергоэфективность, обеспечивая 36-40% сбережения энергии по сравнению с обычным потреблением.

По заказу властей проводятся исследования систем отвода поверхностных вод и сбора дождевой воды с последующей утилизацией. Подробному анализу подверглись и экологическое состояние, и разнообразие зеленых насаждений дворов с сопоставлением результатов с проектными задачами. Окончательные данные всех этих анализов будут представлены на семинаре в Хельсинки в августе 2004 г. Но уже по предварительным результатам видно значительное снижение показателей счетчиков воды, стоимости и объемов реального потребления, соответственно снизилось и потребление теплофикационной энергии во многих домах. В частных квартирах, наряду со снижением потребления тепла и воды, отмечено повышение потребления электричества.

Большинство строений в районе обладают стандартными конструктивными решениями, но в большинстве случаев с усиленной изоляцией и применением стройматериалов уменьшенного воздействия на среду. Применение готовых пиломатериалов и конструкций типа фасадных элементов на основе деревянных рам, включая окна, помогло существенно снизить объемы строительных отходов непосредственно на объектах.

Помимо крупных объектов, в состав эксперимента Эко-Виикки включен и ряд небольших проектов индивидуальной частной застройки, среди которых экологичный дом низкого энергопотребления на ул.Версокуя, 10.

Данный проект представляет собой двухэтажное строение площадью 322 кв. м, на строительство и эксплуатацию которого потребляется минимальное количество энергии из невозобновляемых источников. Здание возведено на вентилируемом фундаменте, т. е. дом возвышается над землей на колоннах. В качестве несущих конструкций внешних стен использованы решетки из досок с изоляцией их кипированной соломой с глиняной штукатуркой. Внешние стены обшиты деревом. При проектировании учтен традиционный опыт финского зодчества с адаптацией его к современному стилю жилья и перспективе более экологического отношения к жизни. Среди решений, примененных в проекте: использование пассивной солнечной энергии, торфяная изоляция фундамента, изоляция пола из мебельной стружки, использование продуктов из необожженной глины для нивелирования влажности воздуха и тепла, энергосберегающие окна, большое количество деревянных поверхностей, причем внутренние деревянные поверхности не обработаны, а пропитаны маслом и отполированы воском.

Из поставленных перед проектом задач на первый план можно поставить экологическую чистоту и здоровье. Помимо учета свойств стройматериалов по мере их старения должна быть также и возможность оптимизации параметров внутренней атмосферы здания. Среди основных задач проекта - хорошая общая экономичность дома и его рентабельность. Жилье должно быть здоровым и экономичным.

Среди решений, примененных в проекте: использование пассивной солнечной энергии, торфяная изоляция фундамента, изоляция пола из мебельной стружки, использование продуктов из необожженной глины для нивелирования влажности воздуха и тепла, энергосберегающие окна, большое количество деревянных поверхностей, причем внутренние деревянные поверхности не обработаны, а пропитаны маслом и отполированы воском.

Экологический эксперимент проходит на Белоярском водохранилище

1. На Белоярской АЭС подведены итоги экологического эксперимента. В течение года для очистки охлаждающего турбины водохранилища от сине-зеленых водорослей использовался новый метод биологической коррекции. Он основан на биологическом антагонизме зелёных и сине-зелёных водорослей, в результате которого вредный вид водорослей вытесняется полезным.

2. Эффективность данной технологии уже доказана на Пензенском, Волгоградском, Цимлянском водохранилищах, - сообщает пресс-служба БАЭС. С марта 2010 года на Белоярском водохранилище началось заселение («альголизация») в водоём одноклеточной зелёной микроводоросли - разновидности хлореллы. Попадая в водоём, хлорелла энергично поглощает углекислый газ и насыщает воду кислородом, что улучшает качество воды, уничтожает гнилостные бактерии и препятствует разрастанию сине-зелёных водорослей. К тому же хлорелла является полезным кормом для микрофауны водоёма.

3. Проводимый эксперимент на БАЭС оценивают положительно. Летом на водохранилище наблюдалось значительное уменьшение «цветения», а к концу вегетативного периода индекс загрязнения воды улучшился на 10% по сравнению с началом сезона.

4. Вся процедура очистки водохранилища займёт 4 года.

Экологический эксперимент в Перу

Всемирный банк (World Bank) выделил 200 тысяч долларов на "благоустройство" трех горных пиков в перуанских Андах. За эти деньги их покрасят в белый цвет. В естественный цвет, который пики имели в те времена, когда были покрыты снегами. Работы начались - краска уже нанесена на два гектара 4756-метрового пика Чалон Сомбреро (Chalon Sombrero). А весь фронт - примерно 70 гектаров.

"Маляры" - четверо жителей местной деревушки Ликапа (Licapa) и их "прораб" - изобретатель-самоучка Эдуардо Голд (Eduardo Gold), крася вручную, думают управиться меньше, чем за полтора года.

Большинству здравомыслящих людей малярная затея может показаться совершенно идиотской. Вроде того "упражнения", которое иногда выполняли солдаты Советской Армии к приезду высоких гостей - наносили зеленую краску на пожухлую траву. Да и участие Всемирного банка, мягко говоря, настораживает.

Однако никакой фантасмагории тут нет. И сравнение с травой не уместно. Ведь 200 тысяч от Всемирного банка - это и грант, и приз. А побелка гор - выдающийся экологический проект из области так называемого геоинжиниринга. В конце 2009 года Эдуардо сумел увлечь им жюри конкурса "100 идей по спасению планеты" (100 Ideas to Save the Planet). Стал одним из победителей. И получил возможность реализовать свой проект для перуанских Анд, потерявших к настоящему времени более пятой части своих ледников .

Смысл прост. Белая краска повышает отражательную способность горы. Солнце меньше ее нагревает - лучи уходят обратно в космос. Температура, в итоге, понижается. Цель проекта, собственно, и состоит в том, чтобы охладить конкретные горные пики. И тем самым вернуть на них снежный покров, который исчез полностью за последние 20 лет. Чалон Сомбреро - стартовая точка.

- Холод породит холод, - считает Эдуардо. И полагает, что его небольшая бригада маляров изменит местный микроклимат. Всемирный банк верит. Но будет, естественно, следить за результатами. И если проект действительно заработает, то инновации, инвестиции и краска, возможно, прольются и на другие вершины. Энтузиазма добавляет и то, что иногда во время работы шел снег. Не исключено, что это эффект геоинжиниринга. То есть, побелки. Перуанцы используют белила собственного изготовления - на основе известняка и яичного белка. Вроде бы такая краска экологически чистая. Кисти не применяют - просто обливают поверхность. (См. 11.)