Применение эксперимента в экологических исследованиях

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.