Применение эксперимента в экологических исследованиях

Министерство образования и науки РоссийскойФедерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Курский государственный университет»
Кафедра общейбиологии и экологии
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Методы экологических исследований» натему:
Применение эксперимента в экологическихисследованиях
 
 
 
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 эмпирическогоисследования в науке
§ 1.2. Структураэмпирического уровня научного знания
§ 1.3. Эксперимент — метод эмпирическогоисследования
Глава 2. Эксперимент в экологии
§ 2.1. Понятие экологическогоэксперимента
§ 2.2. Стадии экологическогоэксперимента
Глава 3. Виды экспериментов в экологии
§ 3.1. Измерительныеэксперименты
§ 3.2. Управляемыеэксперименты
Заключение
Литература
Приложение. Примеры экологическихэкспериментов
Экологический эксперимент Эко-Виикки
Экологический эксперимент на Белоярскомводохранилище
Экологический эксперимент в Перу

Введение
 
Мы обратились к даннойтеме по совету научного руководителя. В процессе написания реферата мы пришли квыводу, 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 встадию экологического кризиса, необходима интенсификация исследований в областиэкологии. Одним из важнейших методов эмпирического исследования являетсяэксперимент. От правильно проведенного эксперимента зависит эмпирический базисисследования и дальнейшее построение теоретической конструкции, необходимой длярешения конкретных экологических проблем.
Объект исследования: Экологическое исследование.
Предмет исследования:Применение эксперимента в экологических исследованиях.
Цель: Выявление различных видов эксперимента в экологических исследованиях. Всоответствии с целью исследования мы обратились к решению следующих задач.
Задачи: Определить особенности экологических исследований. Рассмотреть эмпирическийуровень экологических исследований. Уяснить зависимость видов экспериментов отспецифики конкретных экологических исследований.
Для реализации задуманногов первой главе планируем рассмотреть специфику эмпирических исследований. Вовторой главе мы ставим задачу проанализировать понятие «эксперимент вэкологии». В третьей главе следует подчеркнуть многообразие экспериментов в экологии.

Глава 1. Особенности эмпирическихисследований
 
§ 1.1 Понятие эмпирическогоисследования в науке
Научное познание естьпроцесс, иными словами, развивающаяся система знания, которая включает в себядва уровня – эмпирический и теоретический. Они связаны, но каждый из них имеетсвою специфику.
Нас интересуютэмпирические исследования. Исследуемый объект отражается со стороны внешнихсвязей и проявлений. Характерные признаки эмпирического познания – сбор фактов,их первичное обобщение, описание наблюдаемых и экспериментальных данных, ихсистематизация, классификация и иная фактофиксирующая деятельность.
Научное исследованиеначинается со сбора, систематизации и обобщения фактов. Понятие «факт» имеетнесколько значений:
1. Фрагментдействительности.
2. Знание о явлении,достоверность которого доказана.
3. Предложение,фиксирующее эмпирическое знание, то есть полученное в ходе наблюдений иэкспериментов.
Необходимо помнить, чтосами по себе факты не могут подвести к формулировкам законов, всегда необходиматеоретическая обработка фактов. Но главным итогом эмпирического уровня являютсяименно факты. Без них невозможно продвижение в исследовании. В научномисследовании факты играют двоякую роль: совокупность фактов образуетэмпирическую основу для выдвижения гипотез и построения теорий; факты имеютрешающее значение в подтверждении теорий или их опровержении.
Но в тоже время неследует гнаться за бесконечным количеством фактов. Полученные факты должны бытьвписаны в ту или иную теоретическую систему. Ученый не вслепую ищет факты, авсегда 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, атеоретические схемы.
§ 1.2 Структура эмпирического уровня научного знания
При всейблизости содержания чувственного и эмпирического знания, (в одном случае — множество чувственных образов, а в другом — множество эмпирическихвысказываний), между ними нет, и не может быть отношения логической выводимостиодного из другого. Это означает, во-первых, что эмпирическое знание невернопонимать как логическое обобщение данных наблюдения и эксперимента, а, во-вторых,что данные наблюдения и эксперимента логически не выводимы из эмпирическихвысказываний. Между ними существуют другие типы отношений: моделирование(репрезентация) и интерпретация (реконструкция). Эмпирическое знание является репрезентациейчувственного знания, а последнее — одной из форм интерпретации эмпирическогознания.
Отношениелогической выводимости имеет место внутриэмпирического знания. При этом последнее имеет довольно сложную структуру.Однако, исходным, первичным элементом эмпирического уровня знания являются единичныевысказывания. Это так называемые протокольныепредложения. Они представляют собой оформление результатовединичных наблюдений. При составлении протоколов обычно фиксируется точноевремя и место наблюдения.
Наука — ввысшей степени целенаправленная деятельность. Наблюдения и экспериментыосуществляются 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-либотеорией наблюдениях (и, соответственно, протоколах наблюдения) в развитой наукене приходится. Вторым элементом эмпирического уровня знания являются факты. Научные факты представляют собойиндуктивные обобщения протоколов. Факты это общие утверждения статистическогоили универсального характера. Они фиксируют наличие некоторых свойств иотношений исследуемой предметной области и часто их количественнуюопределенность. Символическими представлениями этих свойств и отношений являютсяграфики, диаграммы, таблицы, классификации, математические модели и т.д.
Третьимэлементом эмпирического уровня знания являются эмпирические законыразличных видов (функциональные,причинные, структурные, динамические, статистические и т.д.). Научные законыесть фиксации особого вида отношений между событиями, состояниями илисвойствами. Научные эмпирические законы (как и факты) являются результатом обобщений.Индуктивное восхождение от частного к общему, как правило, является неоднозначнымвыводом и способно дать в заключении только предположительное, вероятноезнание, постольку эмпирическое знание само по себе является гипотетическим.Наиболее общим видом эмпирического научного знания являются так называемые феноменологические теории, которыепредставляют собой логически организованное множество, систему эмпирическихзаконов (феноменологическая термодинамика, небесная механика Кеплера и др.).Являясь высшей формой организации эмпирического знания, феноменологическиетеории, тем не менее, и по характеру своего происхождения, и по возможностямобоснования остаются гипотетическим, предположительным знанием. И это связано стем, что индукция, т.е. обоснование общего знания с помощью частного (данныхнаблюдения и эксперимента) не имеет доказательной логической силы, а в лучшемслучае — только подтверждающую.
Эмпирическоезнание является категориальной структуризацией чувственной реальности,представляя ее в том или ином аспекте и с различной степенью полноты. С точкизрения полноты эмпирическое знание беднее чувственного знания, представляятолько часть его содержания. Эмпирический объект суть сторона, аспектчувственного объекта, а последний, в свою очередь, есть аспект, сторона «вещи всебе». Таким образом, эмпирическое знание представляет собой абстракцию третьейступени по отношению к миру «вещей в себе».
Различиемежду разными единицами эмпирического знания имеет скорее количественныйхарактер, нежели качественный. Они отличаются лишь степенью общностипредставления 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 — методэмпирического исследования
В эмпирическом исследованиииспользуются специфические методы: наблюдение, эксперимент, в том числемысленный, описание с элементами объяснения, измерение, сравнение. В данномпараграфе мы рассмотрим эксперимент.
Обратимся к определениюэксперимента. «Эксперимент – активное и целенаправленное вмешательство впротекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или еговоспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях». (3, С. 342)В эксперименте объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заданныеусловия, которые отвечают целям исследования. В ходе эксперимента изучаемыйобъект изолируется от побочных влияний, затемняющих его сущность, и представляетсяв «чистом виде». Конкретные условия эксперимента не только задаются, но и контролируются,модернизируются, многократно воспроизводятся и изменяются.
Экспериментосуществляется, как взаимодействие объектов, протекающее по естественнымзаконам; как искусственное, человеком организованное действие. Любой научныйэксперимент всегда направляется какой-либо идей.
Рассмотрим особенностиэксперимента.
1)Сравнивая экспериментс наблюдением, следует отметить, что эксперимент является более активным поотношению к объекту. В ходе опытного исследования объект может бытьпреобразован.
2) Эксперимент можетбыть многократно повторен в целях дальнейшего исследования.
3)Именно опытным путемученый может обнаружить такие свойства объекта, которые никак не проявляются вестественных условиях.
4)Важной чертойэксперимента является возможность варьирования условий его проведения. (3, С.343)
Каковы стадииэксперимента?
В методологии наукипринято выделять 4 стадии опытных исследований.
1) Планированиеэксперимента.
2) Построениеэксперимента, включающее цель, тип, средства, методы и т.д.).
3) Контрольэксперимента.
4) Теоретическоеобобщение результатов эксперимента.
Рассмотрим структуруэксперимента.
1) Субъектисследования, тот, кто проводит опыт.
2) Объектисследования, то на что направлен опыт.
3) Научноеоборудование. Сюда же относятся приборы, которые являются своеобразнымиусилителями органов чувств. Они позволяют исследовать то, что недоступнонаблюдению. Совокупность научных приборов объединяются в сложныеэкспериментальные установки. При всей значимости приборов они могут оказыватьнегативное воздействие на проведение эксперимента, поэтому исследователь долженсвести к минимуму эти воздействия.
История науки показала,что научное открытие приводит к совершенствованию экспериментальной техники.
4) Методикапроведения эксперимента, зависящая от области и предмета исследования.
5) Теоретическаягипотеза, которую требуется подтвердить или опровергнуть в ходе опыта.
Эксперимент имеет двевозможные функции: опытная проверка гипотез и теорий, а также формированиеновых концепций. В зависимости от функций выделяют виды научных опытов:поисковые, контрольные (проверочные), воспроизводящие, изолирующие и т. д.
Различные видыэкспериментов можно выделить и в зависимости от характера исследуемых объектов.Выделяют физические, химические, биологические, социальные и другие эксперименты.
Также различаюткачественные и количественные эксперименты. Качественный эксперимент имеетцелью установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления.Количественный эксперимент выявляет количественную определенность какого-либосвойства изучаемого явления. Этот опыт более сложен, чем качественный.

Глава 2. Эксперимент вэкологии
 
§ 2.1 Понятиеэкологического эксперимента
 
В экологии частоиспользуются 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 экологическихзакономерностей существуют исключительно собственные – экологические методы.Они делятся на полевые, лабораторные, экспериментальные, количественные(математическое моделирование) методы.
Экология имеет своюспецифику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей,популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологическиемакросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологическихмакросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Дляэколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучениепопуляций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно вприроде. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии,систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболеетесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между нимиимеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма ипроцессы, протекающие в нём, а также влияние на эти процессы различныхфакторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакцииорганизма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. насовместное воздействие этих факторов при строгом учёте сезонной цикличностижизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности.
Полевыеметоды позволяют установить результат влияния на организм или популяциюопределённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития ижизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут датьвполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов средыопределяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. Наэтот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которогоявляется выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этимэкологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер.Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитиеорганизма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образомизучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих егонормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического экспериментаможно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты.Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки вприроде. Это даёт возможность глубже понять естественные экологическиеотношения популяций и сообществ. Эксперимент в природе отличается от наблюдениятем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строгодозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние.
Экспериментможет носить и самостоятельный характер. Например, результаты изученияэкологических связей насекомых дают возможность установить факторы, влияющие наскорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура,влажность, пища). В экологическом эксперименте трудно воспроизвести веськомплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид,популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментовшироких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитныхполос, при мелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание приэтом конкретных экологических особенностей многих растений, животных имикроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных илиполезных организмов. В современных условиях экологические исследования играютсущественную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Динамикачисленности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезныхи вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные внастоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рациональногосочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которыедолжны взаимно дополнять и контролировать друг друга. (См. 9.)
Экспериментальныеметодыотличаются от полевых тем, что организмы искусственно ставятся в условия, прикоторых можно дозировать размер изучаемого фактора, следовательно, можноточнее, чем при обычном наблюдении, оценить его влияние. При этом выводы,полученные в лаборатории, требуют обязательной проверки в полевых условиях.
В качестве примеровэкологических 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 лесупутем ограничения определенной площади (площади питания). (См. 8.)
§ 2.2 Стадииэкологического эксперимента
 
Экспериментвключает 5 последовательных стадий: гипотеза, планирование, реализация,статистический анализ и интерпретация. Гипотеза обладает первоочереднойважностью, поскольку если она не удовлетворяет некоторым критериям качества, тодаже самый правильно проведенный эксперимент будет иметь не слишком большую ценность.
Подпланированием эксперимента понимается лишь логическая структура исследования.Полное описание целей эксперимента должно включать спецификацию природыиспользуемых экспериментальных единиц, число и характер применяемых воздействий(включая «контрольные» воздействия), а также свойства или отклики(параметры экспериментальных единиц), которые предполагается измерять. Когдарешение по этим вопросам принято, план эксперимента определяет схему, согласнокоторой для каждой доступной экспериментальной единицы назначается уровеньвоздействия. При этом определяется число экспериментальных единиц(повторностей), получающих воздействие каждого уровня, устанавливаетсяфизическое расположение экспериментальных единиц, а также частота или временнаяпериодичность, с которой реализуются воздействия и осуществляются измеренияконтролируемых факторов на различных экспериментальных единицах.
Реализацияэксперимента включает весь комплекс процедур и операций, в отношении которыхосуществлялось планирование. Успешное осуществление в равной мере зависит отискусства экспериментатора, его проницательности и рассудительности, а также отего технических навыков. Непосредственной задачей исследователя обычно являетсявыполнение технических операций эксперимента таким образом, чтобы избежатьсистематических ошибок (отклонений) и минимизировать случайные ошибки. Еслиизучается 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 набиомассу планктона в пруду, то отбор проб должен выполняться посредствомустройства, производительность которого не зависит от обилия планктона.Систематические ошибки, допущенные как в распределении воздействий, так и впроцедурах измерения или отбора проб, делают эксперимент некорректным, а еговыводы неубедительными.
Субъективнымобразом также решается вопрос о том, какова допустимая или желательнаяизначальная гетерогенность между экспериментальными единицами и в какой степениследует регулировать условия среды в ходе эксперимента. Эти обстоятельствавлияют на величину случайных ошибок и потому – на оценку чувствительностиизучаемых объектов по отношению к воздействию. Они также влияют на конкретнуюинтерпретацию результатов, хотя сами по себе цели исследования не определяют.
Изизложенного ясно, что планирование эксперимента и особенности его реализации вравной степени определяют обоснованность исследования и его итоги. Хотя в практическомсмысле реализация – это более критичный аспект эксперимента, нежели его планирование.Действительно, ошибки при осуществлении эксперимента обычно возникают в большемчисле этапов исследования, более многообразны и часто более коварны, чем ошибкипри планировании. Следовательно, погрешности реализации обнаружить обычносложнее, чем просчеты в планировании, как самому экспериментатору, так ичитателю его отчетов. Именно эти коварные эффекты ошибок, которые иногда простоневозможно обнаружить, делают этап реализации наиболее ответственным закорректность конечного результата исследования. Однако ошибки процессареализации эксперимента далее рассматриваться не будут, несмотря на стольважное их значение как источника проблем.
Вэкспериментальной работе основная функция статистики – увеличить четкость,выразительность и объективность, с которыми результаты представляются иинтерпретируются. Статистический анализ и интерпретация – наименее критичныеаспекты экспериментирования в том смысле, что если допускаются чистостатистические или интерпретационные ошибки, то данные могут бытьпроанализированы заново. В то время как единственным абсолютным средствомисправления ошибок планирования или реализации является только повторениеэксперимента.

Глава 3. Видыэкспериментов в экологии
 
§ 3.1 Измерительныеэксперименты
Можно выделить двакласса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные).Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной илинескольких точках пространства или времени; пространство или время – этоединственные «экспериментальные» переменные или «факторывоздействия». Оценка значимости воздействия по статистическим критериямосуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включают наложениеэкспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальные единицы.
Рассмотрим пример № 1.Необходимо определить, как быстро разлагаются листья клена на дне озера наглубине 1 м. Для этого делают 8 маленьких мешков из нейлоновой сетки, наполняюткаждый из них кленовыми листьями и помещают все вместе в какой-то точке 1-метровойизобаты. Через месяц вынимают мешочки, определяют потерю разложившегосяорганического вещества в каждом и вычисляют среднюю скорость разложения. Втаком виде эта процедура удовлетворительна. Однако она не дает информации отом, как скорость может варьировать в разных точках 1-метровой изобаты. Средняяскорость, которую вычисляют по 8 мешочкам с листьями – слишком скудноеоснование для обобщения величины «скорости разложения на 1-метровойизобате в озере».
Такая процедура обычноназывается экспериментом просто потому, что процедура измерения достаточнотрудоемка, и часто включает вмешательство в саму систему. Если бы мы провели 8измерений температуры или отобрали 8 проб дночерпателем, мало кто назвал бы этипроцедуры и их результаты «экспериментальными».
Исторически сложилось,что термин «экспериментальное» всегда использовался в контекстезначений «сложное», «трудоемкое», «подразумевающеевмешательство, и это неизбежно будет продолжаться.
В экологии существуют сравнительныеизмерительные эксперименты.
Рассмотрим пример № 2.Предположим, что необходимо, используя процедуру примера 1, выяснить,отличается ли скорость разложения кленовых листьев между 1-метровой и 10-метровойизобатами. Для этого помещают 8 мешочков с листьями на 1-метровую изобату идругие 8 мешочков на 10-метровую, ждут месяц, извлекают мешочки и получаютданные. Затем применяют статистический критерий (например, t-критерийили U- критерий), чтобы узнать, имеется ли достоверное различие скоростиразложения в двух точках.
Этот опыт можно было быназвать сравнительным измерительным экспериментом. Хотя использовались двеизобаты (или два „уровня воздействия“), полноценная проверка научныхгипотез, присущих манипулятивным экспериментам, проведена не была. Измеряютсвойство системы в двух точках внутри нее и оценивают, существует ли реальноеразличие (»эффект воздействия") между ними.
Чтобы достигнуть неслишком четко сформулированную цель в примере 1, любой тип пространственногоразмещения 8 мешочков по изобате, в принципе, был бы приемлемым. В примере же 2определили цель как сравнение двух изобат в отношении скорости разложениякленовых листьев. Поэтому нельзя расположить наши мешочки в одном месте накаждой изобате. Это не даст никакой информации об изменчивости скоростиразложения от точки к точке вдоль изобаты. Такую информацию необходимополучить, прежде чем обоснованно применять статистический критерий для проверкинулевой гипотезы о том, что скорость разложения одинакова на двух изобатах. Поэтомунужно рассеять мешочки на каждой изобате некоторым подходящим образом.Существует много путей выбора такого размещения. В идеальном случае позициивдоль каждой изобаты должны выбираться случайно, но мешочки могут бытьрасположены индивидуально (8 точек), либо группами по две (4 точки) или почетыре (2 точки).
Размещение повторныхвыборок или измерений в пространстве (или времени) подходящим образом,соответствующим конкретной проверяемой гипотезе, – наиболее критичный аспектпланирования измерительных экспериментов.
Рассмотрим мнимыеповторности в измерительных экспериментах.
Для этого обратимся к примеру№ 3.Предположим, что расположили все 8 мешочков в одном месте на каждой из изобат. Такслучилось, что одна из точек лежит на 1-метровой изобате, а вторая – на10-метровой. Выявленное достоверное различие между ними не может быть корректноинтерпретировано как различие между двумя изобатами, т.е. как свидетельство«эффекта воздействия». Такое выявленное достоверное различие не болеетого различия, которое мы обнаружили бы, поместив два набора по 8 мешочков вдвух точках на одной и той же изобате.
Если настаивают наинтерпретации проверки гипотезы в примере 3 как «эффекта воздействия»с констатацией реальных различий между изобатами, совершают ошибку, связанную стем, что называют мнимой повторностью. В целом в измерительных экспериментахмнимые повторности часто являются следствием того, что реальное физическоепространство, из которого формируются выборки (либо в котором проводятсяизмерения), меньше, либо более ограничено, чем то, которое фигурирует вгипотезе. В манипулятивных экспериментах мнимые повторности проявляются врезультате использования статистических методов для проверки гипотезы обэффекте воздействия по данным из экспериментов, в которых либо воздействиявообще не имели повторностей (хотя могло быть несколько выборок), либо эти повторностине были статистически независимы. Таким образом, мнимые повторности относятсяне к проблеме планирования эксперимента (или выборочного процесса) кактакового, а скорее к определенной комбинации планирования эксперимента (иливыборочного процесса) и статистического анализа, который неадекватен дляпроверки поставленных гипотез.
Явление мнимыхповторностей широко распространено в литературе, как по измерительным, так и поупраляемым экспериментам. Оно может появиться во многих обличиях. (См. 13.)
§ 3.2 Управляемыеэксперименты
Если в измерительномэксперименте, как правило, изучается единственная ситуация с одним воздействием,то управляемый (манипулятивный) эксперимент уже учитывает воздействие на двухили более уровнях фактора и имеет целью осуществление одного или болеесравнений. Определяющая черта управляемого эксперимента состоит в том, чторазличные экспериментальные единицы получают различные уровни воздействия ираспределение воздействий по экспериментальным единицам делается случайным(или, по крайней мере, может быть сделано таковым).
Рассмотримспецифические черты управляемых экспериментов.
Манипулятивное экспериментированиесталкивается с несколькими классами потенциальных проблем. В табл. 1 ониобозначены как “источники недоразумений”: эксперимент успешен в той степени, вкоторой его результаты не дискредитированы этими факторами. В задачупланирования эксперимента входит минимизация воздействия факторов изисточников, пронумерованных от 1 до 6. Для каждого потенциального источникаприведены один или несколько способов планирования эксперимента, которыеответственны за эту минимизацию. Большинство таких способов обязательно.Улучшения на этапе выполнения эксперимента могут еще более уменьшить этиисточники ошибок. Однако такие улучшения не могут заменить обязательные составляющиеплана эксперимента: контроль, повторность, рандомизацию (илислучайный отбор, используется для создания простых случайных выборок),перемешивание.
Всегда можно предположить,что некоторые источники некорректности в конкретном случае не важны, исоответствующим образом упростить план эксперимента и его процедур. Этосэкономит значительный объем работы. Однако сущность управляемого экспериментав том, что правомерность его заключений не зависит от соответствия таких предположенийобъективной реальности.
От последнего источниканекорректности в списке таблицы план эксперимента не может быть защищен.Значение сверхъестественного и несверхъестественного вмешательства будет краткопояснено ниже.
Таблица
Потенциальные источникинекорректностей в эксперименте и средства минимизации их влиянияИсточник некорректности Черты плана эксперимента, снижающие или исключающие некорректность 1 Изменения во времени Контрольные измерения 2 Влияние процедур реализации эксперимента Контрольные измерения 3 Отклонения, вносимые экспериментатором
Случайное соотнесение уровней воздействия экспериментальным единицам
Рандомизация при проведении всех процедур
«Слепой» тест* 4 Изменчивость, вносимая экспериментатором (случайные ошибки) Повторности воздействий 5 Исходная внутренняя изменчивость экспериментальных единиц
Повторности воздействий
Перемешивание воздействий
Сопутствующие наблюдения 6 Вмешательство
Повторности воздействий
Перемешивание воздействий />
«Контроль»– это термин, имеющий несколько значений в контексте планирования эксперимента.В таблице он употребляется в наиболее традиционном значении, т.е. как любаявыборка измерений, с которой сравниваются другие выборки, получившиевоздействие. Контрольным воздействием может быть как нижний или нулевой уровеньфактора, изучаемого в эксперименте, так и «процедурное» воздействие(например, мыши с введенным солевым раствором используются в качестве контроляпо отношению к мышам с введенным солевым раствором и лекарственным препаратом),или просто иное воздействие.
По крайней мере, приэкспериментировании с биологическими системами контроль необходим, в первую очередь,вследствие того, что биологические системы меняются со временем. Если бы мымогли быть абсолютно уверены, что данная система обладает постояннымисвойствами, тогда не было бы необходимости в отдельной контрольной группе.Измерения на экспериментальной единице до воздействия могли бы служить тогдаконтролем для измерений на экспериментальной единице после воздействия.
Во многих типахэкспериментов контрольные измерения имеют вторую функцию: выделить влияниеэффекта в числе прочих различных аспектов экспериментальной процедуры. Так, впримере с мышами воздействие «только солевым раствором»представляется обязательным контролем. При некоторых обстоятельствах могут бытьполезными дополнительные контрольные воздействия, такие как «тольковведение иглы» или «отсутствие манипуляций».
Более широкое и,возможно, более полезное (хотя и менее традиционное) определение«контроля» включает все обязательные атрибуты плана, приведенныерядом с «источниками недоразумений» под номерами 1 — 6 (таблица).«Контроль» в строгом смысле отслеживает дрейф во времени и влияние техническихпроцедур реализации эксперимента. Рандомизация компенсирует (т.е. снижает илиисключает) потенциальные отклонения, вносимые экспериментатором при назначениивоздействий экспериментальным единицам и при осуществлении других процедурныхдействий. Повторности учитывают стохастический фактор, т.е. внутреннююизменчивость выборок, присущую экспериментальному материалу или внесеннуюэкспериментатором, либо возникшую вследствие несверхъестественного вмешательства.Перемешивание компенсирует регулярную пространственную неоднородностьсвойств среды, куда помещаются экспериментальные единицы, обусловленную как ееисходным состоянием, так и возможным несверхъестественным вмешательством.
В этом контексте представляетсяточным утверждение о том, что эксперимент без повторностей – это экспериментбез контроля, поскольку он не учитывает стохастический фактор. Однако обычайразделять повторность и контроль как отдельные аспекты плана экспериментанастолько прочно утвердился, что термин «контроль» будет далееиспользоваться только в узком традиционном смысле.
Третье значение контроляв экспериментальном контексте состоит в регуляции условий, в которых проводитсяэксперимент. Это может относиться к гомогенности экспериментальных единиц, кточности конкретных процедур воздействия, или, что наиболее часто, к учетунеоднородности физической среды, в которой проводится эксперимент. Так,некоторые исследователи могут говорить об эксперименте, поставленном на белыхмышах в лаборатории при температуре 25±1ºC, как о «лучшеконтролируемом» по сравнению с экспериментом, поставленном на диких мышахв поле, где температура меняется от 15º до 30º. Это – неудачноевыражение, потому что «чистота» контрольных воздействий в экспериментене зависит от той степени, с которой физические условия среды ограничиваютсяили регулируются. От такой регуляции также не зависят ни обоснованностьэксперимента, ни результаты статистического анализа; если нет ошибок в планеили статистическом анализе, то доверие, с которым мы можем отброситьнуль-гипотезу, отражается исключительно значением р-вероятности. Эти факты малопонимаются многими лабораторными учеными.
Неверный смысл, которыйвкладывается в понятие контроль, частично происходит от ошибочного толкованиядревней 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 идентичностиэкспериментальных и контрольных систем во всех отношениях, за исключениемвоздействующей переменной и производимой ею эффекта.
Повторности,рандомизация и независимость. Как повторности, так ирандомизация имеют две функции в эксперименте: они улучшают оценку базовыхстатистик и повышают обоснованность применения статистических критериев. Втаблице подразумевается их роль в оценке статистических параметров выборок.Повторности снижают эффекты «шума» (т.е. случайной изменчивости илиошибки), увеличивая, таким образом, точность оценки, например, выборочногосреднего или различий между двумя выборками. Рандомизация компенсируетвозможные возмущения, вносимые экспериментатором, увеличивая правильностьоценок.
Каким именно путемрандомизированное распределение уровней воздействий по экспериментальнымединицам обеспечивает обоснованность эксперимента? Четкий и краткий ответвстречается нечасто. Рандомизация гарантирует “гораздо больше, чем просто отсутствиеотклонений в эксперименте”, хотя и это важно. Она гарантирует, что в среднем«ошибки» распределены независимо и что “пары участков с одинаковымвоздействием расположены не ближе друг к другу, или, наоборот, дальше, или ещекаким-либо разумным образом неотличимы от любой другой пары участков сразличным воздействием”, за единственным исключением эффекта самого воздействия.В терминах математической статистики отсутствие независимости ошибок препятствуетвыяснению α-вероятности ошибки первого рода. Действуя в соответствии спроцедурой проверки статистических гипотез, мы можем, например, задатьсякритическим уровнем значимости αкр = 0.05 и искать соответствующеезначение р-вероятности для подходящей тест-статистики. Однако, если ошибки ненезависимы, истинный уровень значимости будет выше или ниже 0.05, но в любомслучае численное его значение останется неизвестным. Таким образом,интерпретация статистического анализа становится достаточно субъективной.
Под вмешательствомпонимается вмешательство случайных событий в текущий эксперимент. Этот типвмешательства встречается в любой экспериментальной работе, внося«шум» в данные. Чаще всего влияние единичного стохастическоговозмущения неизмеримо мало. Однако по определению, природа, величина и частотатаких случайных событий непредсказуемы, так же как и их следствия. Есливозмущение оказывает воздействие на все экспериментальные единицы независимо отуровня воздействия, то проблемы нет. Любое изменение погоды во время полевогоэксперимента будет примером такого «случайного» события. Большепроблем несут случайные события, влияющие на одну или несколькоэкспериментальных единиц. Экспериментальное животное может умереть, можетслучиться инфекция или сбой в обогревательной системе. Некоторые случайныесобытия могут быть обнаружены, но таковых – не большинство. Экспериментаторыобычно стремятся минимизировать появление случайных событий, потому, что они снижаютчувствительность эксперимента в обнаружении эффекта воздействия. Однако неменее важно минимизировать вероятность ошибочного заключения о присутствииэффекта воздействия, когда его нет. Повторности и перемешивание воздействийобеспечивают лучшую страховку от случайных событий, имитирующих такие фальшивыеэффекты воздействия. (См. 13.)

Заключение
 
Нами рассмотрена тема:«Применение эксперимента в экологии». Для решения поставленных во введении задачв первой главе мы рассмотрели специфику эмпирических исследований; во второйглаве мы проанализировали понятие «эксперимент в экологии»; в третьей главепоказали виды экспериментов в экологии. Рассмотрим итоги нашей работы.
Научное исследованиеначинается со сбора, систематизации и обобщения фактов. Эмпирический опытникогда – тем более в современной науке – не бывает слепым: он планируется,конструируется теорией, факты всегда теоретически нагружены. Поэтому исходныйпункт науки – это не сами по себе предметы, не голые факты, а теоретическиесхемы.
Одним из важнейшихметодов эмпирического исследования является эксперимент. От правильнопроведенного эксперимента зависит эмпирический базис исследования и дальнейшеепостроение теоретической конструкции, необходимой для решения конкретныхэкологических проблем.
Эксперимент – активноеи целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса,соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специальносозданных и контролируемых условиях». (3, С. 342) В эксперименте объект иливоспроизводится искусственно, или ставится в заданные условия, которые отвечаютцелям исследования. В ходе эксперимента изучаемый объект изолируется отпобочных 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 своюспецифику: объектом её исследования служат не единичные особи, а группы особей,популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологическиемакросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологическихмакросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований.Важнейшее значение в экологии имеет эксперимент.
Задачейэкологического эксперимента является выяснение причин наблюдаемых в природеотношений. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние наразвитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и такимобразом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих егонормальную жизнедеятельность. Эксперимент в природе отличается от наблюдениятем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строгодозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние.
Можно выделить двакласса экспериментов: измерительные (пассивные) и управляемые (активные).Измерительные эксперименты включают только проведение наблюдений в одной илинескольких точках пространства или времени; пространство или время – этоединственные «экспериментальные» переменные или «факторывоздействия». Оценка значимости воздействия по статистическим критериямосуществляется здесь не всегда. Измерительные эксперименты обычно не включаютналожение экспериментатором управляемых внешних факторов на экспериментальныеединицы.
Вэкологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природныхусловий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообществовполне возможно. Примером экологических экспериментов широких масштабов могутслужить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, примелиоративных и различных сельскохозяйственных работах. Знание при этомконкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмовпозволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов.В современных условиях экологические исследования играют существенную роль врешении ряда теоретических и практических задач.
Литература
1. Агроэкология.Методология. Технология. Экономика/В. А. Черников, И. Г. Грингоф, В. Т. Емцев идр.; Под ред. В. А. Черникова, А. И. Чекереса. – М.: КолосС, 2004 – 400 с.
2. ГерасименкоВ. П. Практикум по агроэкологии. Учебное пособие – СПб.: Издательство «Лань»,2009. – 432 с.
3. КохановскийВ. П., Лешкевич Т. Г., Матяш Т. П., Фатхи Т. Б. Основы философии науки: Учебноепособие для аспирантов. Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 608 с.
4. СаловаТ. Ю., Громова Н. Ю., Шкрабак В. С., Кармашев Г. А. Основы экологии. Аудит иэкспертиза техники и технологии: Учебник для вузов. – СПб.: Издательство«Лань», 2004 – 336.
5. СтифеевА. И. Экологическая экспертиза: Учебное пособие / А. И. Стифеев, В. И. Сухарев.– Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2007. –
63 с.
6. ХотунцевЮ. 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
Экологическийэксперимент Эко-Виикки
 
Экологический районЭко-Виикки возник в результате проведения нескольких проектно-архитектурныхконкурсов по линии городской администрации Хельсинки и Министерства окружающейсреды Финляндии. Ранее данный участок находился в распоряжении Хельсинскогоуниверситета, представляя собой экспериментальную площадку, и поэтому хорошоподходил для разработки здесь методик устойчивого экологичного строительства,внедрения энергосберегающих решений, применения технологий солнечной энергии. Послепобеды на конкурсе проекта под условным названием «Зеленые пальцы»были сформулированы экологические установки для зданий.  Среди вариантов энергосбереженияпо возможности стимулируется использование солнечной энергии с задачейобеспечения 50% потребности жилых помещений в отоплении и горячей воде. Встандартах предусмотрено потребление отопительной энергии на уровне 105 кВт/чна кв. м, что на 34% ниже общепринятых нормативов в 160 кВт/ч на кв. м.
Хотя район Эко-Виикки иполучает теплофикационную энергию по системе центрального отопления с ТЭЦ,Горэнерго Хельсинки признает необходимость демонстрационных проектов посолнечной энергии с применением различных технологий — от встроенных солнечныхбатарей на крышах до отдельных солнечных блоков, установленных на подсобныхпомещениях во дворах. Солнечные коллекторы монтируются под разным углом наклонаиз модулей различного размера (крупнейшие модули — по 10 кв. м были подняты накрыши при помощи монтажных кранов). Общая площадь солнечных коллекторов надевяти площадках (две объединены в одну систему) составила 1248 кв. м.Большинство объектов представляют собой многоэтажные жилые дома, хотя частьквартир и расположена в малоэтажных блокированных домах типа«таун-хаус».
Эксплуатационныепоказатели 17 зданий в районе Эко-Виикки, включая дома с установками солнечнойэнергии, контролируются с самого начала, т. е. с 2000-2001 гг. Текущий анализпоказывает, что, помимо прочих положительных результатов, три объекта солнечнойэнергии демонстрируют высокую энергоэфективность, обеспечивая 36-40% сбереженияэнергии по сравнению с обычным потреблением.
По заказу властейпроводятся исследования систем отвода поверхностных вод и сбора дождевой воды споследующей утилизацией. Подробному анализу подверглись и экологическоесостояние, и разнообразие зеленых насаждений дворов с сопоставлениемрезультатов с проектными задачами. Окончательные данные всех этих анализовбудут представлены на семинаре в Хельсинки в августе 2004 г. Но уже попредварительным результатам видно значительное снижение показателей счетчиковводы, стоимости и объемов реального потребления, соответственно снизилось ипотребление теплофикационной энергии во многих домах. В частных квартирах,наряду со снижением потребления тепла и воды, отмечено повышение потребленияэлектричества.
Большинство строений врайоне обладают стандартными конструктивными решениями, но в большинствеслучаев с усиленной изоляцией и применением стройматериалов уменьшенноговоздействия на среду. Применение готовых пиломатериалов и конструкций типафасадных элементов на основе деревянных рам, включая окна, помогло существенноснизить объемы строительных отходов непосредственно на объектах.
Помимо крупныхобъектов, в состав эксперимента Эко-Виикки включен и ряд небольших проектовиндивидуальной частной застройки, среди которых экологичный дом низкого энергопотребленияна ул.Версокуя, 10.
Данный проектпредставляет собой двухэтажное строение площадью 322 кв. м, на строительство иэксплуатацию которого потребляется минимальное количество энергии изневозобновляемых источников. Здание возведено на вентилируемом фундаменте, т.е. дом возвышается над землей на колоннах. В качестве несущих конструкцийвнешних стен использованы решетки из досок с изоляцией их кипированной соломой сглиняной штукатуркой. Внешние стены обшиты деревом. При проектировании учтентрадиционный опыт финского зодчества с адаптацией его к современному стилюжилья и перспективе более экологического отношения к жизни. Среди решений,примененных в проекте: использование пассивной солнечной энергии, торфянаяизоляция фундамента, изоляция пола из мебельной стружки, использованиепродуктов из необожженной глины для нивелирования влажности воздуха и тепла,энергосберегающие окна, большое количество деревянных поверхностей, причемвнутренние деревянные поверхности не обработаны, а пропитаны маслом и отполированывоском.
Из поставленных передпроектом задач на первый план можно поставить экологическую чистоту и здоровье.Помимо учета свойств стройматериалов по мере их старения должна быть также ивозможность оптимизации параметров внутренней атмосферы здания. Среди основныхзадач проекта — хорошая общая экономичность дома и его рентабельность. Жильедолжно быть здоровым и экономичным.
Среди решений,примененных в проекте: использование пассивной солнечной энергии, торфянаяизоляция фундамента, изоляция пола из мебельной стружки, использованиепродуктов из необожженной глины для нивелирования влажности воздуха и тепла,энергосберегающие окна, большое количество деревянных поверхностей, причемвнутренние деревянные поверхности не обработаны, а пропитаны маслом и отполированывоском.

Экологическийэксперимент проходит на Белоярском водохранилище
 
1. НаБелоярской АЭС подведены итоги экологического эксперимента. В течение года дляочистки охлаждающего турбины водохранилища от сине-зеленых водорослей использовалсяновый метод биологической коррекции. Он основан на биологическом антагонизмезелёных и сине-зелёных водорослей, в результате которого вредный вид водорослейвытесняется полезным.
2. Эффективностьданной технологии уже доказана на Пензенском, Волгоградском, Цимлянскомводохранилищах, – сообщает пресс-служба БАЭС. С марта 2010 года на Белоярскомводохранилище началось заселение («альголизация») в водоём одноклеточнойзелёной микроводоросли – разновидности хлореллы. Попадая в водоём, хлорелла энергичнопоглощает углекислый газ и насыщает воду кислородом, что улучшает качествоводы, уничтожает гнилостные бактерии и препятствует разрастанию сине-зелёныхводорослей. К тому же хлорелла является полезным кормом для микрофауны водоёма.
3. Проводимыйэксперимент на БАЭС оценивают положительно. Летом на водохранилище наблюдалосьзначительное уменьшение «цветения», а к концу вегетативного периода индексзагрязнения воды улучшился на 10% по сравнению с началом сезона.
4. Всяпроцедура очистки водохранилища займёт 4 года.

Экологический эксперимент в Перу
 
Всемирный банк (WorldBank) выделил 200 тысяч долларов на «благоустройство» трех горныхпиков в перуанских Андах. За эти деньги их покрасят в белый цвет. Вестественный цвет, который пики имели в те времена, когда были покрыты снегами.Работы начались — краска уже нанесена на два гектара 4756-метрового пика ЧалонСомбреро (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, думаютуправиться меньше, чем за полтора года.
Большинствуздравомыслящих людей малярная затея может показаться совершенно идиотской.Вроде того «упражнения», которое иногда выполняли солдаты СоветскойАрмии к приезду высоких гостей — наносили зеленую краску на пожухлую траву. Даи участие Всемирного банка, мягко говоря, настораживает.
Однако никакойфантасмагории тут нет. И сравнение с травой не уместно. Ведь 200 тысяч отВсемирного банка — это и грант, и приз. А побелка гор — выдающийсяэкологический проект из области так называемого геоинжиниринга. В конце 2009года Эдуардо сумел увлечь им жюри конкурса «100 идей по спасениюпланеты» (100 Ideas to Save the Planet). Стал одним из победителей. Иполучил возможность реализовать свой проект для перуанских Анд, потерявших кнастоящему времени более пятой части своих ледников .
Смысл прост. Белаякраска 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 самымвернуть 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 изменитместный микроклимат. Всемирный банк верит. Но будет, естественно, следить зарезультатами. И если проект действительно заработает, то инновации, инвестициии краска, возможно, прольются и на другие вершины. Энтузиазма добавляет и то,что иногда во время работы шел снег. Не исключено, что это эффектгеоинжиниринга. То есть, побелки. Перуанцы используют белила собственногоизготовления — на основе известняка и яичного белка. Вроде бы такая краскаэкологически чистая. Кисти не применяют — просто обливают поверхность. (См. 11.)