Tittel: Å forske på naturen Utdrag fra Lærerplanen for naturfag vg1. Kompetansemål som undervisningsopplegget dekker er uthevet med rødt. Forskerspiren Kompetansemål etter Vg1 studieforberedende utdanningsprogram ( - Naturfag i vidregående opplæring) Mål for opplæringen er at eleven skal kunne planlegge å gjennomføre undersøkelser i samarbeid med andre der en identifiserer og varierer parametere gjennomføre enkle datasimuleringer for å illustrere naturfaglige fenomener og teste hypoteser forklare og vurdere hva som kan gjøres for å redusere usikkerhet og feilkilder i målingar og resultater vurdere og argumentere for gyldighet og kvalitet av egne og andres observasjonsdata Bærekraftig utvikling Kompetansemål etter Vg1 studieforberedende utdanningsprogram ( - Naturfag i vidregående opplæring) Mål for opplæringen er at eleven skal kunne beskrive suksesjonsprosesser i et økosystem undersøke et økosystem og vurdere hvor det er i suksesjonsprosessen gjøre rede for faktorer som virker inn på størrelsen til en populasjon forklare hva som ligger i begrepene føre-var-prinsippet, usikker kunnskap og begrepet bærekraftig utvikling, og gi eksempler på dette vurdere miljøaspekter ved forbruksvalg og energibruk velge ut og beskrive noen globale interessekonflikter og vurdere hvilke følger disse konfliktene kan få for lokalbefolkning og for verdenssamfunnet gjøre greie for hvordan det internasjonale samfunnet arbeider med globale miljøutfordringer gi eksempler på naturforvaltning og endring av naturmiljøer som får konsekvenser for urfolk i Norge og i andre land Oppgave 3 I denne oppgaven skal dere bli kjent med eksempler på hvordan man kan planlegge å gjennomføre en økologisk undersøkelse. Les artikkel om Hvordan gjøre undersøkelser i naturen? Du er forsker og vil finne grunnen til nedgang hos fuglearten Lunde. Hvilke parametere vil du undersøke for å finne ut om for å finne ut om bestanden har endret seg? Hvordan vil du gjennomføre datainnsamlingen av de ulike parameterne? 1
Hvordan gjøre undersøkelser i naturen? Innen økologi bruker vi to hovedtyper av undersøkelser; eksperimenter og observasjoner. For å øke gyldigheten og kvaliteten på undersøkelsene er det viktig at innsamling av data er gjort på en måte som reduserer feilkilder. Undersøkelser i naturen innebærer å sette det man ønsker å forklare, beskrive eller forstå inn i modeller. Man bruker to hovedtyper av undersøkelser. Observasjoner Fenomener i naturen observeres uten å gjøre endringer. Ofte blir observasjoner gjort over en periode. Slike observasjoner kalles tidsserier. Lengden på tidsseriene er med på å øke kvaliteten og gyldigheten i undersøkelsen. For eksempel kan man telle antall dyr i en bestand hvert år og sammenligne dette med forhold som sier noe om tilstanden i bestandens leveområde. Mange store pattedyr blir for eksempel telt fra fly eller helikopter, mens små dyr og insekter blir telt opp ved hjelp av innsamlingsteknikker på bakken. Når det gjelder fugler blir disse telt ved hjelp av fangst i nett, telling av reir eller via observasjoner av antall individer. Ved å bruke slike teknikker for å telle individer i en bestand, kan man finne ut om antallet har endret seg fra år til år. For å opprettholde en høy grad av gyldighet og kvalitet på observasjonsdataene i en tidsserie, er det viktig at disse er samlet inn med samme metode fra år til år. I tillegg må man velge best mulig teknikk for innsamling av data. Tilstanden i dyrenes leveområde som vi måler eller teller kaller vi parameterne. Disse parameterne kan være forurensning, ødeleggelse av habitat, tilgang på mat, temperatur, introduserte arter, global oppvarming også videre. Eksperimenter Man gjør forandringer i et område i naturen. Dette kan for eksempel være at man kunstig skaper en høyere tetthet av dyr i noen områder, eller (omvendt) en lavere tetthet av dyr i områder. I tillegg kan grupper av individer fjernes fra områder eller grupper av individer kan settes ut i områder. Stedene der eksperimentet er gjort blir sammenlignet med områder der man ikke har gjort forandringer. Disse områdene kalles kontrollområder. For å få størst mulig gyldighet og kvalitet i slike undersøkelser er det viktig at kontrollområdene og områdene der 2
eksperimentet foregår er så like som mulige. Fordelen med eksperimenter er at det oftere kan være lettere å si noe om årsak og virkning, fordi man kan endre parametere og se hvordan de påvirker det man undersøker. Slik får man større kontroll på hvordan parametere virker inn på fenomenet man undersøker. Oppgave 4 I Naturindeksen er utviklingen i antall dyr over tid basert på observasjoner fra ulike bestander. Vi kan derfor ikke si noe ut fra tallene i Naturindeksen om andre parametere som kan ha sammenheng med endringer i bestandene. Ved å samle inn data over parametere, som for eksempel forurensning, støy, menneskelig påvirkning, introduserte arter etc. kan vi undersøke sammenhenger mellom disse parameterne fra bestandens leveområde og antall dyr i bestanden. Ofte samler man inn data over parametere som man tror kan ha sammenheng med endringene i antall dyr i bestanden. Du skal undersøke årsaken til nedgang i bestander hos sjøfuglen lomvi. Enkelte parametere har vist sammenheng med nedgang i bestanden av lomvi. Hvilke parametere er det? Les Naturindeksen s 32 Dersom du skulle undersøkt andre parametere for å finne flere mulige årsaker til nedgang i bestanden, hvilke parametere ville du undersøkt da? Tips! Bruk en eller flere av hovedgrunnene til nedgang i biologisk mangfold. Det kan hende disse parameterne også gjelder for nedgang i bestanden av lomvi. Les Naturindeksen s 13 2.2.1 Økende press på verdens natur. Du skal undersøke om en av parameterne du foreslo i forrige oppgave kan ha sammenheng med nedgangen i antall lomvi. Hvordan vil du samle inn disse dataene? Oppgave 5 Dere skal finne ut om det kan være en sammenheng mellom nedgang i bestanden av lodde og nedgangen i bestanden av lomvi. Les artikkelen om Hypotesetesting Sett opp nullhypotese og alternativ hypotese for denne problemstillingen. Hvilke gruppe av statistiske tester vil dere bruke for å teste dette? 3
Hvilken av hypotesene vil dere beholde dersom dere får en signifikanssannsynlighet større enn 0,05? Hypotesetesting Å teste hypoteser er ofte det som for nybegynnere er vanskeligst når man skal gjøre undersøkelser i naturen. Dette krever selvsagt en viss forståelse for en del matematiske forutsetninger og begrensninger for de ulike metodene, men først og fremst krever det en forståelse for de mulighetene som finnes. Formålet med statistikk er å presentere, analysere og trekke slutinger ut fra data på en objektiv måte. Det er som regel ingenting i veien for å bruke statistikk uten å forstå all matematikken bak. Akkurat som man bruker mobiltelefonen uten å forstå de tekniske innretningene som ligger i den. Derimot er det svært viktig å forstå hva slags test man skal bruke til hvilke type av data. Dette innebærer at man må ta hensyn til de forskjellige forutsetningene og begrensningene de ulike statistiske testene har. Generelt brukes statistiske teknikker støttet av grafer og figurer. Når man først får dreisen på dette er statistikk mye morsommere enn de fleste tror! To typer statistiske tester Det finnes et uttall forskjellige statistiske tester. Vi skal se på to viktige grupper av tester. 1. Tester som kan avdekke ulikheter mellom forskjellige grupper av data Vi bruker et eksempel som er hentet fra en undersøkelse på sjøfuglen teist. I undersøkelsen vil vi finne ut om det er færre teist i områder der det fins mink. Minken spiser eggene til teisten og man frykter at mink kan redusere bestandene av teist betraktelig. Det kan være vanskelig å telle nøyaktig det antallet mink som er i området, derfor bruker vi to kategorier på områdene, områder med mink og områder uten mink. Antallet av teist kan da sammenlignes i de to ulike områdene. Hvis man finner statistisk gyldige forskjeller i antall teist i de to ulike områdene ser vi av figur 1 at det er færre teist i områder med mink. Vi kan derimot ikke ut fra en slik undersøkelse hevde at antallet mink er årsak til få teist i disse områdene. Hvis vi skulle si noe om hva som kan være årsak til få teist i områder med mink måtte vi gjort et eksperiment der vi for eksempel satte ut mink i områder med teist. 4
Figur 1. Søylediagrammet viser gjennomsnittlig antall teist i kolonier uten mink og i kolonier med mink 2. Tester som kan avdekke sammenhenger mellom fenomenet vi undersøker og en parameter. Eks. Vi bruker et eksempel med sjøfuglen lomvi og vil undersøke om nedgang i antall individer i bestanden av lomvi kan ha sammenheng med tilgang på næring? Forskere hevder at bestanden av lomvi avtok kraftig på grunn av kollaps i loddebestanden på 80- og 90-tallet. Dette kan vi teste ved å velge en statistisk test som påviser sammenhenger mellom antall lomvi og næringstilgangen. Dette kan fremstilles grafisk som i figurene 2-4 under. Hvis testen viser at bestanden av lomvi går ned når næringstilgangen avtar, kan vi si at nedgang i bestanden av lomvi og næringstilgang har en sammenheng Figur 3. Man kan derimot ikke si at næringstilgangen er årsak til nedgang i bestanden hos lomvi, fordi det kan være mange andre faktorer som påvirker nedgang i lomvibestanden som vi ikke har undersøkt. For å si noe om årsaker til nedgangen i antall lomvi i dette tilfellet må man gjøre et eksperiment. Figur 2. Figuren viser ingen sammenheng mellom antall lomvi i en bestand og næringstilgang 5
Figur 3. Figuren viser positiv sammenheng mellom antall lomvi i en bestand og næringstilgang. Figur 4. Figuren viser negativ sammenheng mellom antall lomvi i en bestand og næringstilgang. Hvordan sette opp en hypotese Vi tenker oss igjen eksemplet med sammenhenger mellom antall lomvi og næringstilgang. Vi tenker oss at vi har observasjonsdata for næringstilgangen til lomvi hvert år de 30 siste årene og at vi har observasjonsdata for antall individer i bestanden i den samme tidsperioden. Vi vil sette opp en hypotese for å finne ut om næringstilgang kan ha sammenheng med nedgang i antall individer i lomvibestanden. Når man skal planlegge en slik undersøkelse må man sette opp to hypoteser som skal undersøkes en nullhypotese og en alternativ hypotese. I nullhypotesen sier vi at det ikke er noen sammenheng mellom nedgang i antall dyr i bestanden og parameteren vi ønsker å undersøke. I den alternative hypotesen sier vi at det er sammenheng mellom nedgang i antall dyr i bestanden og parameteren vi ønsker å undersøke. Vi kan sette opp hypotesene for dette slik: 6
Nullhypotesen (H 0 ): Det er ikke sammenheng mellom nedgang i bestanden av lomvi og næringstilgang i området. Den alternative hypotesen (H 1 ): Det er sammenheng mellom nedgang i bestanden av lomvi og næringstilgang i området. Generelt kan man si at nullhypotesen alltid er den som benekter sammenhenger mellom fenomenet vi vil undersøke og parameteren vi studerer. Tilsvarende hvis man tester forskjeller mellom grupper, så er nullhypotesen den som benekter at det er forskjeller mellom gruppene man sammenligner. Vi kan også trekke en analogi til straffesaker der den siktede er uskyldig inntil det motsatte er bevist. Nullhypotesen vil da alltid være at den siktede er uskyldig helt til det motsatte er bevist, mens den alternative hypotesen er at den siktede er skyldig. Siden undersøkelsen bare omfatter et utvalg av populasjonen, kan en risikere å konkludere feil. Man ønsker derfor en minimal risiko for å forkaste H 0 feilaktig. Dette kalles testens signifikansnivå. Hvordan teste en hypotese? Hypotesene over kan testes i et statistikkprogram der hypotesene på forhånd ligger inne i programmet. For å finne ut om det er sammenheng mellom nedgang i bestanden av lomvi og næringstilgangen i området, velger vi en statistisk test som kan påvise sammenhenger mellom nedgangen i antall lomvi og næringstilgang i leveområdene til lomvien. Testen vil gi en verdi som uttrykker hvilke av de to hypotesene vi kan beholde. Denne verdien kalles signifikanssannsynlighet. Oftest bruker man et signifikansnivå på 0,05 som utgjør den magiske forskjellen for om vi beholder nullhypotesen eller om vi beholder den alternative hypotesen. Hvis resultatet av testen viser en signifikanssannsynlighet mindre enn 0,05 forkaster vi nullhypotesen og konkluderer med at den alternative hypotesen synes å gjelde. Hvis p-verdien er større enn 0,05 kan ikke nullhypotesen forkastes, og det er mulig at nullhypotesen gjelder i situasjonen. Oppgave 6 I denne oppgaven skal elevene bruke Excel til å teste om forekomst av mink i kolonier med hekkende teist kan ha en mulig sammenheng mellom nedgang i bestanden av sjøfuglen teist i Norge de siste årene. Menneskelig aktivitet påvirker antallet av sjøfugl på flere måter. Et eksempel er arter som menneskene har satt ut, slik som mink. Man tror at bestander av teist spesielt har hatt stor nedgang på grunn av stor sårbarhet ovenfor mink, fordi den hekker i steinurer og 7
bergsprekker, oftest nær sjøen der minken trives. Teisten hekker i kolonier, i dag finner vi de fleste store koloniene med teist i områder uten mink. Dere vil undersøke om det virkelig er færre hekkende teist i kolonier med utbredelse av mink på kysten av Midt-Norge. Dere har fått utdelt innsamlede data og kan begynne rett på analysen av dataene. Vanligvis må man reise ut i felt for å samle inn dataene selv. Åpne filen Mink_Teist. Forklaringer på hva dere skal gjøre blir gitt underveis. Se på datasettet og diskuter Hvilke grupper av tester vil du bruke på disse dataene? Finn ut hvordan dere kan Sette opp en nullhypotese og en alternativ hypotese for om antall teist er mindre i kolonier der mink er observert enn i områder der mink ikke er observert. Først må dere sortere dataene i filen. Vi sorterer dataene etter; kolonier av teist der mink er observert, og kolonier med teist der mink ikke er observert Kolonne F viser antall teist i de ulike koloniene. Kolonne G viser om det er observert mink i koloniene. Tallet 0 i denne kolonnen betyr at mink ikke er observert i kolonien og tallet 1 betyr at mink er observert. Sett markøren på øverste tall i kolonne G. Klikk på Data. 8
Velg Sorter. Kontroller at det står Mink observert i øverste felt for sortering. Klikk OK. Datafilen plasserer nå alle data over kolonier med teist der mink ikke er observert øverst i datafilen, og alle kolonier der mink er observert nederst i datafilen. Det blir nå enklere å beregne gjennomsnitt for antall teist i kolonier med mink og uten mink. Skriv inn Gjennomsnittlig antall teist i kolonier uten mink i en ledig rute og sett markøren i ruten under. Skriv inn =Gjennomsnitt( i funksjonsfeltet og marker alle tallene i kolonne F som har 0 i kolonnen for Mink observert. Sett deretter inn ). 9
Klikk Enter. Regn ut gjennomsnitt i antall teist i kolonier der mink forekommer. Dere følger samme fremgangsmåte som over bortsett fra at dere markerer alle tallene i kolonne F som har 1 i kolonnen for Mink observert. Under kan dere kontrollere om dere har regnet rett. Vi ser ut fra tallene vi har funnet at det gjør en stor forskjell i antall teist i en koloni om det er mink tilstede i kolonien eller ikke. Dere har kanskje lagt merke til at antall mink ikke er delt på arealet av koloniene. For dyr som har større spredning ville det vært viktig å dele antall dyr på arealet av leveområdene. Det vil vanligvis være mer korrekt å bruke tettheten av dyr i områder. Men for sjøfugler som hekker i kolonier antar vi at arealet av de ulike koloniene ikke har stor betydning for antallet sjøfugl i kolonien, og at vi derfor kan sammenligne antallet fugler i de ulike koloniene. Dere skal bruke en statistisk test for å undersøke om forskjellene i gjennomsnittlig antall teist i kolonier med - og uten mink kommer av tilfeldigheter i vår undersøkelse, eller om de faktisk representerer naturen slik den er. Testen dere skal bruke heter t-test. Dette er en av flere statistiske tester som kan påvise forskjeller mellom grupper. Hvis testen viser forskjeller mellom grupper, sier vi at gruppene er signifikant forskjellige. Dere skal sammenligne gruppe 0 (kolonier med teist der ingen mink observert), med gruppe 1 (kolonier med teist der mink er observert). Hvis testen sier at det finnes signifikante forskjeller mellom gruppe 0 og 1 betyr det at det er signifikant færre teist i kolonier der mink er observert. 10
Sett markøren i en ledig rute og skriv inn TTEST, Gjennomsnittlig antall teist i kolonier med og uten mink. I ruten under skriver dere =TTEST(. Angi hvilke to datamatriser (grupper av data) som skal være med i testen ved å markere rutene med Antall teist der Antall mink er 0. Denne gruppen skal med i matrise 1. Skriv inn tegnet semikolon ; og marker matrise 2 som er Antall teist der Antall mink er 1. Sett tallet 2 for sider (tosidig t-test) og tallet 2 for type (tohalet t-test). Sett deretter inn ) og klikk Enter. Resultatet dere får vil være 0.0000 Hvis dere får tallet oppgitt på standardform 2,01488E-06 kan dere endre dette til tallform i ved å høyreklikke i ruten der tallet er angitt og velge Formater celler. 11
Velg Tall og sett Antall desimaler til 4. 12
Verdien dere får fra t-testen kalles p-verdi eller signifikanssannsynlighet. Vi opererer med et signifikansnivå på 0,05 som utgjør den magiske forskjellen for når vi kan si at det er forskjeller mellom de to gruppene. I vårt tilfelle er p-verdien mindre enn 0.05 noe som betyr vi forkaster H o og datasettet tyder på at det eksisterer forskjeller i antall teist mellom koloniene der mink er observert og kolonier der mink ikke er observert. Hvis derimot p-verdien hadde vært større enn 0,05 beholder vi hypotesen H 0 om at det ikke eksisterer forskjeller i antall teist mellom de to ulike typene av kolonier. Dere kan i tillegg lage en graf for dette slik at dere kan se om det kan være forskjeller i antall teist i kolonier med- og uten mink. 13
Merk se to tallene du vil lage grafen ut i fra ved å holde nede Ctrl knappen mens du setter muspekeren i de to feltene du vil ha med i tabellen. Klikk på ikonet for Diagramveiviser og du vil få opp et vinduet vindu som under. Merk av for Stolpediagram og Undertype som vist over, og Klikk neste. 14
Merk av for Rader og klikk på Serie. 15
Sett inn Kolonier uten mink for serie 1 og Kolonier med mink for serie 2. Bruk Legg til for å sette inn de nye serienavnene. Fjern de andre seriene. Klikk Neste. 16
Under Diagramtittel, skriv inn Antall teist ulike grupper av kolonier. Under Verdiakse (Y), skriv inn Gjennomsnittlig antall teist. Klikk Neste. Klikk Akser og fjern hake i Kategoriakse (X). Klikk Fullfør hvis dere er fornøyd med figuren. Hvis dere vil gjøre flere endringer kan dere gjøre det både i dette vinduet, og etter at grafen er ferdig. Nøkkelord: Signifikansnivå 17
En kalkulert risiko for å forkaste H 0 feilaktig. Signifikanssannsynlighet Et tall man får når man gjør statistiske tester som gir svar på hvilken av de to hypotesene vi kan beholde. 18
Tittel: Er havet utømmelig? Ingress (hensikten med aktiviteten): I denne aktiviteten skal elevene lage grafer som viser svingninger i sildebestanden fra 1950-2003, og tolke hva som kan ha vært grunnen til disse svingningene. Beskrivelse/framgangsmåte (kan inneholde bilder, hevet/senket skrift, tabeller, lister, inntrykk): På 1960- tallet trodde forskere ved havforskningsinstituttet i Bergen at ikke gikk an å fiske havet tomt for fisk. I dag er kun 30 % av bestandene bærekraftig høstet slik at vi kan få normalt utbytte fra dem. Når vi tar ut store mengder fisk av en art eller aldersgruppe ut fra havet, kan forholdet mellom artene forandre seg, og det naturlige næringsnettet kan bli forstyrret. Denne forandringen kan bli spesielt stor hvis vi tar ut en art eller spesielle aldersgrupper som har en viktig funksjon i næringsnettet. Spesielt viktige arter kaller vi nøkkelarter. Hvis man fjerner en nøkkelart kan energiflyten i næringsnettet forandre seg og vi kan få store forandringer i produksjonen i økosystemet. Silda er en av nøkkelartene i Norskehavet og Barentshavet. Et internasjonalt samarbeid om bærekraftig høsting av silda er viktig. I tillegg til Norge har EU, Færøyene, Island og Russland inntekter fra sildefiske. Norge driver sildefiske langs norskekysten, mens de andre landene fisker sine kvoter i åpne havområder. Den totale kvoten for alle landene var i 2005 satt til 890 000 tonn. Norge høster ca. halvparten av totalkvoten. I denne aktiviteten skal elevene lage en graf som viser utviklingen i total fangst og norsk fangst av norsk vårgytende sild fra 1950 2003. Deretter skal elevene forkare hva som har hendt med bestanden, og om de kan finne eksempler på lignende hendelser andre steder i verden. Elevene kopierer datasettet fra lenken på siden over inn i Excel, ved å markere tallene og klikke Ctrl C. Deretter åpnes et tomt Excel ark og datasettet limes inn Ctrl V. For å skrive inn navn på kolonnene, settes markøren i den kolonnen som de ønsker å skrive i. 19
Bildet over viser de første dataene i datafilen. Filen skal i alt ha tall for alle årstallene fra 1950-2003. Datafilen skal inneholde 3 kolonner og 53 rekker med tall. Merk de to kolonnene total fangst og norsk fangst. Klikk deretter diagramveiviser. 20
Velg Diagramtype og undertype som vist over. Klikk Neste. 21
Merk serie 1 og skriv inn total fangst. Skriv på samme måte inn Norsk fangst for serie 2. Sett muspekeren i Kategoriakseetiketter (X) og merk hele kolonnen med årstall. Årstallene vil da legges inn på X-aksen. Klikk Neste. 22
Skriv inn Fangst av vårgytende sild i perioden 1950-2003 under Diagramtittel. Under Kategoriakse (X) skrives år og under Verdiakse (Y) skrives Tusen tonn. Klikk Neste. Dersom ønskelig kan støttelinjene fjernes. Klikk på fanen med støttelinjer. Klikk av krysset for hovedstøttelinjer. Klikk Neste. 23
Klikk Fullfør. Grafen vil se slik ut. Se grafen og svar på følgende spørsmål. Hva hendte med sildebestanden på slutten av 60-tallet? Hva tror er årsaken er til denne endringen? Hvor lang tid tok det før bestanden kom seg opp igjen? Les Er havet uttømmelig eller er det fisk nok til alle? Hva tror du årsaken kan ha vært til at bestanden kom seg oppover igjen? Har andre fiskebestander hatt lignende nedgang? Hva skjedde med torskebestanden utenfor New Foundland? Er det grunn til bekymring for verdens fiskebestander, i så fall hvorfor? Kan økt mattilgang fra havet bidra til en sultende befolkning? Forklar i så fall hvordan? 24
Ordforklaringer: Nøkkelart er en økologisk viktig art som mange andre arter avhenger av Næringsnett et næringsnett har organismer som inngår i flere næringskjeder. En næringskjede består av plante planteeter rovdyr og nedbryter. Produksjon det økosystemet produserer av planter og dyr. Kvote hvor mye som er lov å høste av en art i et vist tidsrom Tidsangivelse (hvor lang tid tar det å gjøre aktiviteten): 2 timer Materiale og utstyr: PC og internett Lenker: Er havet uttømmelig eller er det fisk nok til alle? Naturresurser i Barentshavet 25