Según R.A. Fisher, todo diseño experimental descansa en tres principios: la replicación (repetir el tratamiento en varias unidades experimentales, lo que permite estimar el error experimental o variabilidad natural y aumentar la precisión), la aleatorización (asignar al azar las unidades a los tratamientos, lo que elimina el sesgo sistemático y hace válida la inferencia estadística) y el control local o bloqueo. En el diseño de bloques completos al azar, las unidades se agrupan en bloques homogéneos para controlar una fuente conocida de variación y los tratamientos se asignan al azar dentro de cada bloque.
La variable independiente es la que el investigador manipula deliberadamente; la dependiente es la respuesta que se mide, y las que se mantienen constantes son variables controladas. El grupo control (testigo) no recibe el tratamiento y sirve de referencia: un control negativo no debe producir respuesta y uno positivo sí debe producirla.
El muestreo puede ser aleatorio simple, sistemático, estratificado (por subgrupos homogéneos), preferencial y mixto; la muestra debe tener tamaño suficiente y representatividad para reducir el sesgo. Principales técnicas de campo:
En gabinete y laboratorio se calculan índices de diversidad: Shannon-Wiener H' = - suma (pi x ln pi) y dominancia de Simpson D = suma (pi al cuadrado). La tinción de Gram distingue bacterias grampositivas (violeta) de gramnegativas (rosa/rojo); el microscopio óptico resuelve hasta aprox. 0.2 micrómetros (200 nm) por el límite de difracción de Abbe. Para colecta y preservación, el etanol al 70% conserva invertebrados y tejidos, y la formalina al 10% fija tejidos; todo ejemplar debe registrarse con localidad y fecha. La bioseguridad y las consideraciones éticas (permisos, trato a los organismos y manejo de material peligroso) son obligatorias en cualquier estudio.
1. Un ecólogo desea estimar la abundancia de una planta herbácea en una pradera homogénea de 2 hectáreas. Numera todas las posibles ubicaciones de cuadrantes en la pradera y, mediante un generador de números aleatorios, elige las que efectivamente muestreará, de modo que cada ubicación tenga la misma probabilidad de ser seleccionada y la elección de una no influya en la de las demás. ¿Qué tipo de muestreo está aplicando?
El muestreo aleatorio simple asigna a cada unidad la misma probabilidad de selección de forma independiente; el sistemático usa un intervalo fijo, el estratificado divide la población en subgrupos y el preferencial se basa en el criterio del investigador. (Cochran, Sampling Techniques; Krebs, Ecological Methodology (clasificación de estrategias de muestreo).)
2. En un estudio de vegetación a lo largo de un camino forestal, el investigador elige un punto de inicio al azar sobre el camino y, a partir de ahí, coloca un cuadrante cada 20 metros hasta cubrir toda la longitud del recorrido. ¿Qué tipo de muestreo describe este procedimiento?
El muestreo sistemático parte de un punto de arranque aleatorio y aplica después un intervalo fijo y regular; a diferencia del aleatorio simple, no todas las combinaciones posibles de unidades tienen la misma probabilidad de formar la muestra. (Krebs, Ecological Methodology; Cochran, Sampling Techniques (muestreo sistemático).)
3. En una reserva natural de 100 hectáreas se identifican tres tipos de hábitat: bosque de pino-encino (50 ha), pastizal (30 ha) y humedal (20 ha). El equipo de investigación divide la reserva en estos tres estratos y distribuye un total de 20 cuadrantes de muestreo de forma proporcional al área que ocupa cada estrato (muestreo estratificado con asignación proporcional). De acuerdo con este criterio, ¿cuántos cuadrantes deben colocarse en el estrato de pastizal?
Con asignación proporcional al área, el pastizal representa 30/100 = 30% de la superficie total, por lo que le corresponden 0.30 × 20 = 6 cuadrantes; asignar los cuadrantes del bosque (10), dividir en partes iguales entre los tres estratos (7) o usar la proporción del humedal (4) son errores comunes de asignación. (Cochran, Sampling Techniques (muestreo estratificado con asignación proporcional).)
4. Un ornitólogo estudia la anidación del águila real (Aquila chrysaetos) en una sierra donde ya conoce, por registros de temporadas anteriores, la ubicación exacta de ocho nidos activos. Para su nuevo estudio decide muestrear únicamente esos ocho sitios porque tiene la certeza de encontrar la especie ahí, sin considerar otros acantilados con hábitat similar pero sin confirmación previa. ¿Qué tipo de muestreo está utilizando?
El muestreo preferencial (o de juicio) selecciona las unidades según el conocimiento o criterio previo del investigador; garantiza detectar a la especie en sitios ya conocidos, pero no permite estimar la densidad real en toda el área ni generalizar, a diferencia de los métodos probabilísticos. (Cochran, Sampling Techniques (muestreo no probabilístico o de juicio).)
5. En un programa de monitoreo de flora, el área de estudio se divide primero en cuatro zonas según el tipo de vegetación dominante (estratos). Dentro de cada zona, los transectos se ubican a intervalos fijos de 100 metros, pero el punto de arranque de cada transecto dentro de la zona se selecciona mediante un sorteo aleatorio. ¿Cómo se clasifica esta estrategia de muestreo en su conjunto?
El muestreo mixto combina dos o más estrategias; aquí se usa la estratificación por zona vegetal junto con un componente sistemático dentro de cada estrato, por lo que no es aleatorio simple ni sistemático puro, y tampoco preferencial porque la ubicación de los transectos no depende del juicio subjetivo del investigador. (Cochran, Sampling Techniques (diseños de muestreo combinados o mixtos).)
6. De los siguientes tipos de muestreo, ¿cuál es el único que NO garantiza que cada unidad de la población tenga una probabilidad conocida de ser seleccionada, por lo que no permite hacer inferencias estadísticas válidas sobre toda la población?
El muestreo preferencial no es probabilístico: las unidades se eligen según el criterio del investigador, por lo que no se conoce la probabilidad de selección; el aleatorio simple, el sistemático y el estratificado sí son métodos probabilísticos. (Cochran, Sampling Techniques (muestreo probabilístico vs. no probabilístico).)
7. Un equipo debe muestrear un humedal extenso y de difícil acceso, sin información previa para delimitar subzonas ecológicamente distintas y con pocos días de trabajo de campo disponibles. Frente al muestreo aleatorio simple, ¿cuál es la principal ventaja práctica de emplear un muestreo sistemático (cuadrantes colocados a intervalos regulares a partir de un punto de inicio al azar) en este caso?
El muestreo sistemático es más sencillo de ejecutar en campo, pues basta fijar un intervalo, y cubre el área de forma más homogénea que una selección totalmente al azar; no elimina el sesgo por completo ni evita la necesidad de una segunda visita para estimar cambios poblacionales. (Krebs, Ecological Methodology; Cochran, Sampling Techniques.)
8. En un campo agrícola con surcos de riego separados regularmente cada 8 metros, que generan microhábitats húmedos en el fondo del surco y secos en el lomo, un equipo aplica un muestreo sistemático colocando cuadrantes cada 8 metros a partir de un punto inicial al azar. Por coincidencia, todos los cuadrantes caen sobre el lomo seco de los surcos, sin muestrear nunca el fondo húmedo. ¿Qué riesgo específico del muestreo sistemático se está manifestando en este caso?
El riesgo específico del muestreo sistemático es que, si el intervalo fijo coincide con una periodicidad presente en el ambiente (aquí, el espaciamiento de los surcos), la muestra queda sesgada hacia un solo tipo de microhábitat; en este caso el punto de inicio sí fue aleatorio, por lo que esa no es la causa del sesgo. (Cochran, Sampling Techniques; Krebs, Ecological Methodology (riesgo de periodicidad en el muestreo sistemático).)
9. El muestreo por cuadrantes consiste en delimitar parcelas de área conocida y contar dentro de ellas a los organismos de interés. ¿Para qué tipo de organismos resulta más adecuada esta técnica?
Los cuadrantes se emplean principalmente para estimar densidad, cobertura y frecuencia de organismos sésiles o poco móviles, como las plantas, ya que estos permanecen dentro del área delimitada durante el conteo. (Krebs, Ecological Methodology; Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology.)
10. En una parcela de pastizal, un equipo coloca 15 cuadrantes de 2 m² cada uno, distribuidos al azar, y cuenta un total de 180 individuos de una especie herbácea en el conjunto de los cuadrantes. Con estos datos, ¿cuál es la densidad estimada de la especie, en individuos por metro cuadrado?
La densidad se obtiene dividiendo el número total de individuos entre el área total muestreada (15 cuadrantes × 2 m² = 30 m²): 180 ÷ 30 = 6 individuos/m²; dividir solo entre el número de cuadrantes o solo entre el tamaño del cuadrante produce estimaciones erróneas. (Krebs, Ecological Methodology (estimación de densidad por cuadrantes).)
11. ¿Cuál es la principal utilidad de los transectos (lineales o en banda) como técnica de muestreo en ecología?
Los transectos permiten registrar cómo cambia la composición de especies vegetales conforme varía una condición ambiental a lo largo de una línea; no son la técnica típica de captura-recaptura ni de extracción de artrópodos del suelo ni de fijación de tejidos. (Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology.)
12. Un equipo quiere describir cómo cambia la composición de especies vegetales desde la orilla de un lago, con suelo saturado de agua, hasta el bosque circundante, con suelo seco, a lo largo de un gradiente de humedad de 200 metros. ¿Cuál es la técnica de campo más adecuada para este objetivo?
El transecto es la técnica indicada para documentar el cambio en la composición de especies a lo largo de un gradiente ambiental; debe trazarse siguiendo la dirección del gradiente (de la orilla del lago hacia el bosque) para atravesar todas las zonas de humedad, mientras que los cuadrantes al azar no captan el ordenamiento espacial del gradiente. (Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology.)
13. En el método de captura-marcaje-recaptura (índice de Lincoln-Petersen), se marca y libera un primer grupo de M individuos; en una segunda visita se captura un total de C individuos, de los cuales R ya estaban marcados. ¿Qué fórmula estima correctamente el tamaño poblacional N?
El índice de Lincoln-Petersen estima N como (M × C) / R; las demás expresiones invierten los términos de la razón o suman y restan las cantidades, lo que produce estimaciones erróneas del tamaño poblacional. (Krebs, Ecological Methodology; F.C. Lincoln (1930).)
14. En un estanque se capturan y marcan 24 peces (M), que se liberan de inmediato. Una semana después se realiza una segunda captura de 36 peces (C), de los cuales 18 presentan la marca (R). Aplicando el índice de Lincoln-Petersen, ¿cuál es el tamaño estimado de la población de peces en el estanque?
N = (M × C) / R = (24 × 36) / 18 = 48 peces; invertir los términos de la razón (12) o sumar y restar las cantidades (42) corresponden a errores típicos de cálculo. (Krebs, Ecological Methodology; F.C. Lincoln (1930), índice de Lincoln-Petersen.)
15. En un censo de tortugas marinas se marcan 45 hembras (M) durante la temporada de anidación y se liberan. En un monitoreo posterior se identifican 96 hembras en las playas de anidación, pero solo fue posible verificar la presencia o ausencia de marca en 60 de ellas (muestra verificable), de las cuales 15 tenían marca (R). Usando únicamente los datos de la muestra verificable, ¿cuál es el tamaño estimado de la población de hembras anidadoras según el índice de Lincoln-Petersen?
Debe usarse la muestra verificable (C = 60), no el total de 96 avistamientos: N = (M × C) / R = (45 × 60) / 15 = 180; usar el total de 96 sobreestima la población (288 hembras), y otros errores de cálculo, como intercambiar los papeles de M y C, producen los demás resultados (20 y 90 hembras). (Krebs, Ecological Methodology; F.C. Lincoln (1930), índice de Lincoln-Petersen.)
16. ¿Cuál de las siguientes NO es un supuesto necesario para que la estimación del tamaño poblacional mediante el índice de Lincoln-Petersen sea válida?
El método no exige que C sea mayor que M; sus supuestos reales son que la población permanezca cerrada, que el marcaje se mezcle al azar con el resto de la población y que la capturabilidad sea igual entre individuos marcados y no marcados. (Krebs, Ecological Methodology (supuestos del modelo de Lincoln-Petersen).)
17. Un investigador quiere estimar únicamente la frecuencia y la cobertura de una especie de pasto en una pradera homogénea, sin que exista ningún gradiente ambiental evidente en el sitio. ¿Cuál técnica de campo es la más adecuada para este objetivo?
Cuando no existe un gradiente que documentar y el objetivo es estimar densidad, cobertura o frecuencia de una planta, los cuadrantes son la técnica indicada; el transecto es más útil para captar cambios a lo largo de un gradiente, y la captura-recaptura y las trampas de caída se emplean para fauna móvil. (Krebs, Ecological Methodology; Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology.)
18. Según los principios del diseño experimental de Fisher, ¿cuál es la función principal de la aleatorización en la asignación de las unidades experimentales a los tratamientos?
Para Fisher, la aleatorización elimina el sesgo sistemático en la asignación de tratamientos y es la base que permite aplicar válidamente las pruebas de significancia estadística; agrupar en bloques corresponde al control local, no a la aleatorización. (R.A. Fisher, The Design of Experiments (1935); Sokal y Rohlf, Biometry.)
19. Para estimar la abundancia de mariposas en una reserva boscosa, un equipo de campo realiza todos sus recorridos de conteo únicamente sobre el sendero turístico principal, ya que el interior del bosque es de difícil acceso y consume demasiado tiempo de trabajo. ¿Qué tipo de sesgo de muestreo se introduce con este procedimiento?
Al muestrear solo donde es cómodo llegar, la muestra deja de representar las condiciones del interior del bosque, lo que constituye un sesgo de accesibilidad; los otros sesgos listados corresponden a problemas propios de la captura-recaptura o del efecto de borde, no descritos en este caso. (Southwood y Henderson, Ecological Methods (sesgos de muestreo por accesibilidad).)
20. En un estudio de captura-recaptura con roedores, se observa que los individuos que ya fueron capturados una vez evitan entrar de nuevo a las trampas Sherman en los muestreos posteriores (comportamiento de 'timidez a la trampa'). ¿Qué efecto tiene este comportamiento sobre la estimación del tamaño poblacional mediante el índice de Lincoln-Petersen?
Si los individuos marcados evitan la trampa, R se reduce de forma artificial y, como N = (M × C) / R, un R menor produce una N sobreestimada; el fenómeno no aumenta las capturas totales de la segunda muestra ni es indiferente para el modelo. (Southwood y Henderson, Ecological Methods; Krebs, Ecological Methodology (comportamiento de timidez a la trampa).)
21. ¿Cuál es la razón principal por la que se recomienda replicar (repetir) un tratamiento en varias unidades experimentales dentro de un diseño experimental?
La replicación permite estimar la variabilidad natural (error experimental) entre unidades y mejora la precisión de las estimaciones; no sustituye a la aleatorización ni elimina la variabilidad, solo permite cuantificarla. (Sokal y Rohlf, Biometry; Montgomery, Design and Analysis of Experiments.)
22. Al colocar cuadrantes de muestreo justo en el límite entre un bosque y un pastizal adyacente, algunos cuadrantes registran especies típicas de ambos hábitats que normalmente no coexisten en el interior de ninguno de los dos. ¿Qué fuente de sesgo en el muestreo describe mejor esta situación?
El efecto de borde ocurre cuando las unidades de muestreo se ubican en la zona de transición entre dos hábitats y registran una mezcla de especies que no es representativa de ninguno de los dos ambientes por separado. (Southwood y Henderson, Ecological Methods (efecto de borde en el muestreo).)
23. Según los principios fundamentales del diseño experimental propuestos por R. A. Fisher, ¿cuáles son los tres elementos que debe garantizar un experimento biológico bien diseñado para permitir una inferencia estadística válida?
Fisher estableció que la replicación, la aleatorización y el control local (bloqueo) son los tres pilares del diseño experimental que permiten estimar el error experimental y validar las pruebas de significancia. (R. A. Fisher, The Design of Experiments (1935))
24. Un investigador asigna al azar 40 plántulas de maíz a cuatro tratamientos de fertilización, en lugar de colocar las plántulas más vigorosas en el tratamiento que considera más prometedor. ¿Qué principio del diseño experimental está aplicando con esta asignación?
Asignar los tratamientos al azar evita que el criterio del investigador introduzca sesgos sistemáticos, lo cual es indispensable para validar estadísticamente las diferencias observadas entre tratamientos. (R. A. Fisher, The Design of Experiments (1935); Sokal y Rohlf, Biometry)
25. En un bioensayo de toxicidad, cada concentración del compuesto se aplica a 10 unidades experimentales independientes en lugar de a una sola. ¿Cuál es la razón principal para repetir el tratamiento en varias unidades experimentales?
La replicación permite estimar la variabilidad natural (error experimental) entre unidades y mejora la precisión de las estimaciones; no sustituye a la aleatorización ni elimina la necesidad de un control. (Sokal y Rohlf, Biometry (3a ed.); Montgomery, Design and Analysis of Experiments)
26. En un experimento que evalúa el efecto de la intensidad lumínica sobre la tasa fotosintética de una microalga, manteniendo constantes la temperatura y el pH del cultivo, ¿cómo se clasifica la intensidad lumínica?
La intensidad lumínica es manipulada deliberadamente por el investigador, por lo que constituye la variable independiente; la tasa fotosintética sería la variable dependiente y la temperatura y el pH son variables controladas. (Método científico experimental; Sokal y Rohlf, Biometry)
27. En una prueba de actividad antimicrobiana, un investigador incluye un pozo con el disolvente puro, sin el compuesto de prueba, del cual no espera ningún halo de inhibición. ¿Qué tipo de control representa este pozo?
El control negativo no debe producir respuesta (halo de inhibición) y sirve como referencia basal; el control positivo, en cambio, sí debe mostrar el efecto esperado. (Método científico experimental (controles negativo y positivo))
28. Un agrónomo sospecha que un campo experimental tiene un gradiente de humedad del suelo que podría afectar el crecimiento de las plantas independientemente del fertilizante aplicado. Para controlar esta fuente de variación conocida, divide el campo en franjas homogéneas y asigna los cuatro tratamientos al azar dentro de cada franja. ¿Qué tipo de diseño experimental está utilizando?
Agrupar las unidades en bloques homogéneos para controlar una fuente conocida de variación y aleatorizar los tratamientos dentro de cada bloque corresponde, por definición, al diseño de bloques completos al azar. (R. A. Fisher, The Design of Experiments; Montgomery, Design and Analysis of Experiments)
29. En un estudio de campo se capturaron y marcaron 50 individuos de una población de peces, que fueron liberados de inmediato. Una semana después se realizó una segunda captura de 80 individuos, de los cuales 20 portaban la marca. Aplicando el índice de Lincoln-Petersen, ¿cuál es el tamaño estimado de la población?
N = (M × C) / R = (50 × 80) / 20 = 200 individuos; restar en vez de multiplicar (M + C − R = 110) o invertir la razón entre los términos produce estimaciones erróneas. (Krebs, Ecological Methodology; F. C. Lincoln (1930))
30. ¿Para qué tipo de organismos es más adecuado el método de muestreo por cuadrantes (quadrats) en estudios de ecología de comunidades?
Los cuadrantes permiten estimar densidad, cobertura y frecuencia de organismos sésiles o poco móviles, principalmente plantas, al delimitar un área fija de muestreo. (Krebs, Ecological Methodology; Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology)
31. Un botánico desea documentar cómo cambia la composición de especies vegetales conforme se asciende por la ladera de un cerro, desde la base hasta la cima. ¿Qué técnica de muestreo es la más adecuada para este objetivo?
Los transectos se emplean para muestrear la vegetación y detectar cambios en la composición de especies a lo largo de un gradiente ambiental, como el altitudinal. (Mueller-Dombois y Ellenberg, Aims and Methods of Vegetation Ecology)
32. Un entomólogo desea estimar la abundancia de escarabajos y arañas que se desplazan caminando sobre la superficie del suelo en un bosque templado. ¿Qué técnica de captura es la más apropiada?
Las trampas de caída se emplean específicamente para capturar artrópodos epigeos que se desplazan por la superficie del suelo, como escarabajos y arañas; el embudo de Berlese, en cambio, extrae artrópodos alojados en el suelo y la hojarasca mediante calor. (Southwood y Henderson, Ecological Methods (3a ed.))
33. Para un estudio de diversidad de mamíferos pequeños y murciélagos en una selva mediana, un equipo de campo coloca trampas Sherman durante la noche y redes de niebla al anochecer. ¿Qué grupo de organismos se captura específicamente con las redes de niebla en este diseño?
Las redes de niebla se utilizan para capturar aves y murciélagos en vuelo, mientras que las trampas Sherman sirven para la captura viva de pequeños mamíferos como roedores. (Wilson et al., Measuring and Monitoring Biological Diversity: Standard Methods for Mammals)
34. ¿Cuál es el principio físico mediante el cual el embudo de Berlese-Tullgren logra extraer artrópodos de una muestra de hojarasca y suelo?
El embudo de Berlese-Tullgren aplica una fuente de calor en la parte superior que genera un gradiente de calor y desecación, forzando a los organismos a descender hacia un recipiente con líquido conservador. (Southwood y Henderson, Ecological Methods (3a ed.))
35. En una parcela de muestreo se registra una sola especie de árbol, que representa el 100% de los individuos censados. ¿Cuál es el valor del índice de diversidad de Shannon-Wiener (H') para esta comunidad?
Cuando pi = 1 para la única especie presente, ln(1) = 0, por lo que H' = −Σ(pi × ln pi) = 0, el valor mínimo posible del índice; no se trata de un valor negativo ni de una operación indefinida. (Magurran, Measuring Biological Diversity)