Ecología y Metodología de Investigación: Conceptos Clave y Diseño de Estudios

Ecología y Evolución: Fundamentos Conceptuales

La Ecología es el estudio científico de las interacciones entre los organismos y su ambiente. Su objetivo es comprender la influencia de los factores ecológicos en los organismos y estudiar los niveles de organización de la vida.

Factores Ecológicos

Son fenómenos y factores externos que caracterizan el ambiente y pueden actuar directamente sobre los organismos.

  • Factores abióticos: Temperatura, humedad, salinidad, fuego, energía radiante, sales minerales, gases, espacio.
  • Factores bióticos: Organismos de la misma y de diferentes especies.

Niveles de Organización Ecológica

  • Organismo: Sistemas interconectados que intercambian materia y energía con el ambiente, mostrando un comportamiento individual.
  • Población: Grupo de individuos de la misma especie que intercambian material genético y se reproducen (nacimiento, muerte, migración, etc.).
  • Comunidades: Conjunto de poblaciones de diferentes especies que interactúan entre sí (ej., zoocenosis, fitocenosis, depredación, competencia).
  • Ecosistemas: Comunidad biológica junto con los factores físicos y químicos del ambiente.
  • Biosfera: Conjunto de todos los ecosistemas.

Eficacia Biológica y Selección Natural

La eficacia biológica es una medida relativa de la supervivencia y el éxito reproductor de individuos afectados por la presión del ambiente. Los factores ecológicos presionan la selección de caracteres que favorecen la supervivencia y la reproducción. El éxito implica sobrevivir y reproducirse para transmitir los genes.

La selección natural es el proceso por el cual un carácter ventajoso para la eficacia biológica se extiende y fija en la población. Sus requisitos son:

  • Variabilidad: Existencia de diferencias entre individuos.
  • Diferencias en eficacia biológica: Algunos caracteres confieren mayor supervivencia y reproducción.
  • Heredabilidad: Los cambios en los caracteres deben ser heredables.

Estos caracteres surgen por mutaciones al azar y se heredan. La adaptación se refiere a los caracteres que se extienden por selección natural, capacitando a los organismos para sobrevivir y reproducirse en un ambiente determinado.

La evolución son los cambios en los caracteres de un organismo a lo largo de las generaciones.

Teorías de la Evolución (Errores Comunes)

  • Teoría de Lamarck: La función crea al órgano y este se hereda. (ERROR: Los caracteres aparecen al azar y solo si son útiles se heredan).
  • Teoría de la supervivencia del más fuerte: (ERROR: Sobrevive el mejor adaptado al ambiente, no necesariamente el más fuerte).

Relación entre Evolución y Selección Natural

  • La selección natural actúa sobre individuos, pero la evolución ocurre a nivel poblacional.
  • La selección natural actúa sobre fenotipos, pero la evolución ocurre a nivel genético.

Método Científico, Estudios Experimentales y Observacionales

Ciencia

La ciencia es el conocimiento obtenido mediante la observación y el estudio sistemático y razonado de la naturaleza. Busca las leyes que rigen los fenómenos naturales para comprenderlos, explicarlos y predecirlos.

Conocimiento Científico

Es un conjunto de saberes ordenado, comprobado y sistematizado, basado en el estudio, la observación, la experimentación y el análisis de fenómenos. Es objetivo, se pregunta cómo y por qué, tiene un enfoque práctico y teórico, utiliza un lenguaje técnico preciso, posee validez universal y es comprobable. El método científico permite predecir.

Ciencia vs. Actitud Social

  • Un ecólogo estudia las interacciones entre organismos y su entorno.
  • Un ecologista es una persona que defiende activamente la protección del medio ambiente.

Tipos de Ciencia

  • Ciencia básica: Base del progreso humano.
  • Ciencia aplicada: Aplicación del conocimiento científico a necesidades humanas y desarrollo tecnológico. Se basa en la ciencia básica como principio fundamental.

Método Científico

Es un conjunto de normas y procedimientos para realizar un estudio o investigación con validez científica. Su objetivo es explicar fenómenos, establecer relaciones entre hechos, enunciar leyes que expliquen fenómenos naturales y elaborar aplicaciones útiles para el ser humano. Es repetible, verificable y provisional.

Fases del Método Científico

  1. Planteamiento del problema.
  2. Hipótesis: Debe ser comprobable, permitir predicciones y basarse en un razonamiento válido.
  3. Predicciones: ¿Qué resultados se esperan si la hipótesis es acertada?
  4. Comprobación de la hipótesis:
    • Diseño del estudio.
    • Toma de datos.
    • Análisis de los datos.
  5. Interpretación de resultados.
  6. Publicación de resultados.

Diseño del Estudio

Implica entender la pregunta de investigación e identificar las variables.

Tipos de Variables
  • Cualitativas: Valores no numéricos (ej., sexo, raza, color de pelo).
  • Cuantitativas:
    • Discretas: Número de dependientes (ej., número de hijos).
    • Continuas: Peso, altura, etc.

También se distinguen:

  • Variables independientes: Responsables del fenómeno, factores que se manipulan o varían.
  • Variables dependientes: Aquellas que se cuantifican para observar el efecto del fenómeno.
Selección del Tipo de Estudio

Lo ideal es conseguir variabilidad en la variable independiente.

  • Estudio Observacional:
    • Se busca una muestra representativa para comprobar la hipótesis.
    • Aprovecha la variabilidad natural.
    • Permite detectar asociaciones.
    • Puede abarcar una escala espacial amplia.
    • A veces es complejo de realizar.
  • Estudio Experimental:
    • Se manipula la variable independiente para generar variabilidad y comprobar la hipótesis.
    • Genera variabilidad artificial.
    • Permite demostrar causalidad.
    • Suele tener una escala espacial reducida.
    • A veces es muy simplificado.

Interpretación de los Resultados

Procedimiento para comprobar la fiabilidad de la hipótesis: se enfrentan la hipótesis planteada y la contraria.

  • Hipótesis Nula (Ho): No existe relación entre la variable independiente y la dependiente.
  • Hipótesis Alternativa (Ha): Existe una relación entre las variables.

Se realiza un análisis estadístico. El valor p indica la probabilidad de rechazar la hipótesis nula (Ho) cuando no existe una relación. Se acepta la relación cuando p < 0.05 (se rechaza Ho).


Diseño de Estudios Específicos

Estudio Observacional

  • Selección de variables: Dependiente e independiente.
  • Selección del universo de muestreo: Todo lo necesario para realizar el estudio.
    • Homogéneo: No presenta variabilidad significativa.
    • Heterogéneo: Elementos con gran diversidad.
  • Unidad Experimental: Unidad mínima a la que se aplica el tratamiento experimental (superficie, volumen, individuo).
  • Estrategias de muestreo:
    • En universo homogéneo: muestreo al azar, muestreo sistemático o regular.
    • En universo heterogéneo: muestreo en gradiente, muestreo estratigráfico.
  • Réplicas y pseudorréplicas: El número de unidades de muestreo (tamaño muestral) debe ser representativo y no se detiene hasta que la media de la variable estudiada se estabilice. Las pseudorréplicas son elementos que forman parte de la réplica y son necesarios para el muestreo.

Estudio Experimental

  • Selección de variables: Se define artificialmente la variable independiente (tratamientos). Los tratamientos son los niveles de la variable independiente. El número total de tratamientos depende del número de factores y de los niveles por factor (ej., nivel de humedad: baja, media y alta).
  • Unidad experimental: Unidad mínima a la que se aplica el tratamiento experimental (individuo, superficie, volumen).
  • Replicación y tamaño muestral: La replicación es el número de unidades experimentales a las que se aplica cada tratamiento. El tamaño muestral es el número total de muestras; se replica varias veces para obtener resultados fiables.
  • Disposición de las unidades experimentales: Organizar correctamente las unidades en el espacio, evitando efectos no deseados de factores externos.

Generación de Predicciones, Elección del Tipo de Estudio y Variables a partir de una Hipótesis

A partir de una hipótesis, se generan predicciones, se elige el tipo de estudio y se definen las variables.

Ejemplo de Diseño de Estudio

Hipótesis: El efecto de la humedad influye en la germinación de semillas de leguminosas.

  • Tipo de estudio: Experimental.
  • Variables:
    • Independiente: Humedad (alta/baja).
    • Dependiente: Germinación (%) de semillas.
  • Tratamientos: 2.
    • Humedad alta: 1 litro de agua al día.
    • Humedad baja: 0.5 litros de agua al día.
  • Unidad experimental: Maceta con 25 semillas.
  • Tamaño muestral: 40 muestras (20 por tratamiento).

Medición de Factores Ecológicos

Factores Ecológicos Abióticos

Medidas in situ o con datos ya existentes:

  • Topografía: GPS o Centro Nacional de Información Geográfica.
  • Clima: Pluviómetros, termómetros.
  • Salinidad: Electroconductivímetro.
  • pH: pH-metro.
  • Oxígeno: Oxímetro.
  • Humedad: TDR (Time Domain Reflectometry).

Consideraciones para la instalación y muestreo:

  • Grano: Menor nivel de resolución espacial.
  • Extensión: Tamaño del área del estudio.
  • Espaciamiento: Separación entre unidades.

Factores Ecológicos Bióticos

  • Individuos: Tamaño, tasa de crecimiento, morfología, reproducción, supervivencia, parámetros fisiológicos.
  • Poblaciones: Abundancia, densidad, sex-ratio, número de individuos que se dispersan y migran, estructura de edades.
  • Comunidades: Productividad, flujo de energía, ganancia y pérdida de materia.

La Ecología como Ciencia

Las hipótesis en ecología deben ser falsables, lo que permite generar teorías falsables y contrastables, produciendo así conocimiento científico. Las hipótesis no falsables generan teorías no contrastables, lo que invalida la generación de conocimiento científico.

Evolución y Ecología

Las teorías ecológicas se plantean en el marco de la teoría de la evolución. El objetivo evolutivo es la transmisión de material genético. Existe una interacción entre genes y ambiente (fenotipo = genotipo + ambiente). Los organismos tienen limitaciones físicas y evolutivas.

Azar en Ecología

La influencia de eventos estocásticos (sucesos aleatorios) juega un papel importante en los ecosistemas. Estos imponen límites a los niveles predictivos generados por la ecología. Por ejemplo, el viento puede alterar la distribución de la hojarasca, afectando la luz que llega al suelo y, por lo tanto, la germinación de las plantas.

Modelos Predictivos

Son herramientas y técnicas que sirven para pronosticar y predecir el comportamiento ante un evento. Para su desarrollo, es crucial:

  1. Identificar una pregunta específica.
  2. Proponer una hipótesis específica (evitando formular hipótesis sin contrastarlas).
  3. Comprobar la hipótesis específica en un modelo predictivo.