Phylogenetik von künstlich hergestellten Objekten: Evolution im Klassenzimmer simulieren Teach article

Eine Version dieser Unterrichtsaktivität verwendet Metallobjekte wie Nägel, Schrauben, Heftklammern, Büroklammern und Reißzwecken. Je größer die Zahl der Objekte, desto länger wird die Aktivität dauern.

Zur Orientierung: Die Schüler werden etwa 15 Minuten benötigen, um die evolutionären Verhältnisse herzustellen, sowie 10 bis 15 Minuten für Rückmeldung und Diskussion. Der benötigte Zeitaufwand lässt sich verringern, indem weniger Objekte verwendet werden oder Ausdrucke anstelle von richtigen Objekten – allerdings macht der Umgang mit den realen Objekten mehr Spaß.

Material

Für jede Gruppe wird jeweils ein Exemplar – entweder von einer Auswahl oder von allen – der folgenden Metallobjekte benötigt (Abbildung 1). Alternativ können Ausdrucke von den Objekten verwendet werden (Sie können die Anleitung zu dieser Unterrichtsaktivität von der „Science in School“ Website herunterladen).

• 75 mm Schiffsnagel [A]
• 20 mm Nagel [B]
• 20 mm Schraube [C]
• Haarnadel (50 mm) [D]
• Krampe (25 mm) [E]
• Sicherheitsnadel (40 mm) [F]
• Spreizniete (20 mm) [G]
• Büroklammer (32 mm) [H]
• 25 mm Schiffsnagel [J]
• Polsternagel (20 mm) [K]
• 13 mm Nagel [L]
• Spiegelschraube (20 mm) [M]
• Krampe mit Isolierung (13 mm) [N]
• Rundkopfklammer (20 mm) [O]
• Flachkopfklammer (20 mm) [P]
• Rundkopfschraube (25 mm) [Q]
• 50 mm Nagel [R]
• Reißzwecke (6 mm) [S]
• Haken (20 mm) [T]
• Haarklemme [W]
• Schraube (65 mm) [Z]

Anmerkung: Die Objekte brauchen nicht die exakte Größe zu haben.

Durchführung

1. Teilen Sie die Klasse in zwei Gruppen.
2. Entweder:
   a) Geben sie einen Satz der in Abbildung 1 dargestellten Objekte an jede Gruppe. Stellen Sie sicher, dass jedem Objekt ein Buchstabe zugeordnet ist. Oder.
   b) Laden Sie die Bilder der Objekte in Abbildung 1 von der Science in School Webseite^w1 herunter und schneiden Sie sie so aus, dass Buchstabe und Objekte zusammenbleiben. Verwenden Sie die Bilder so, als ob sie die eigentlichen Objekte wären.
3. Fordern Sie Ihre Schüler auf, die Objekte unter Berücksichtigung der vier Grundprinzipien so anzuordnen, dass sie mögliche evolutionäre Linien darstellen. Ermutigen Sie sie, die kleinste und einfachste Form als den vermuteten, gemeinsamen Vorfahren der Gruppe auszuwählen und anschließend die anderen Objekte als Äste eines Stammbaums, die sich aus diesem Vorfahren abgeleitet haben, anzuordnen.
4. Bitten Sie Ihre Schüler, ihre Stammbäume anhand der Buchstaben aufzuzeichnen.
5. Erklären Sie ihnen die Konzepte der divergierenden, konvergierenden und parallelen Evolution. Fordern Sie Ihre Schüler anschließend auf, in ihren Stammbäumen mögliche divergierende, konvergierende oder parallele evolutionäre Entwicklungen einzuzeichnen.

Einige Beispiellösungen und Diskussionsanregungen

Einige evolutionäre Linien erscheinen offensichtlich, wogegen andere Objekte sehr schwierig zu platzieren sein werden. Einige mögen an mehreren Stellen platziert werden können.

• Der gemeinsame Vorfahr ist vermutlich L – eine kurze, einfache Form mit kleinem Kopf und einfacher Basis.
• L → B → R ist eine offensichtliche Linie, die in der Größe zunimmt.
• L → J → A ist eine parallele Linie mit einer eckigen Basis und einem in der Größe zunehmenden Kopf von L nach J. L, B oder J könnten → C durch zunehmende Komplexität des Kopfes und der Basis. (L und B sind als Vorfahren wahrscheinlicher, weil J eine eckige Basis hat.)
• C → Q → Z ist eine Linie mit zunehmender Größe und Komplexität des Kopfes und schließlich einer Veränderung der Basis. Möglicherweise C → T aufgrund des veränderten Kopfes begleitet von einer Verjüngung der Basis.
• L → S → K ist eine Linie mit zunehmender Größe und einer Spezialisierung des Kopfes. Vermutlich S → P durch eine Größenzunahme, aber mit Materialunterschied, d. h. es ist möglich, dass B oder J → P, dann gäbe es eine Konvergenz zwischen P und S / K.
• Ist G Teil dieser evolutionären Linie? Entweder S oder P könnten → G durch Verdickung und letztendlich Aufspaltung der Basis. Vermutlich G → O durch eine Kombination aus Verlängerung und Verjüngung (eine Aal-ähnliche Linie).
• Für M zeigt sich ein interessantes Problem: Von ihren beiden Teilen ähnelt die Basis in ihrer Struktur C, aber der Kopf zeigt Ähnlichkeit zu Z, ist aber glatt, nicht eingekerbt. M zeigt auch Ähnlichkeit zu S, aber ihre Basis hat Windungen statt einer glatten Struktur. M gehört wahrscheinlich zur Serie um C, aber mit einer klaren Konvergenz zu S. Repräsentieren die beiden Komponenten (M und C) zwei Geschlechter (ein Beispiel für sexuellen Dimorphismus) oder ist M ein eigenartiges Hybrid aus den Vorläufern von C und S?

Alle bisher betrachteten evolutionären Linien haben eine gerade Basis und eine einzige Achse (Ausnahmen sind G und O, die eine doppelte Basis haben und T ist mit seinem gebogenen Kopf eine weitere stark divergierende Form). Man könnte sagen, dass alle diese Formen Mitglieder einer einzigen Ordnung sind – Orthos (vom griechischen Wort für „gerade“) oder eine ähnliche Bezeichnung. Alle übrigen Objekte sind auf irgendeine Weise gebogen – Sinus (vom lateinischen Wort für „Bogen“) oder eine ähnliche Bezeichnung. Die einfachste Form unter den gebogenen Objekten ist vermutlich E und damit wahrscheinlich dem gemeinsamen Vorfahren am nächsten.

• Vermutlich L → E durch Verlust seines kleinen Kopfes und einer Biegung der Basis, aber es ist ebenso vorstellbar, dass T → E durch einen Verlust des Gewindes und einer stärkeren Biegung des Kopfes. Es scheint wahrscheinlicher, dass T konvergierend zu einer aus E hervorgegangenen Linie ist.
• E → N durch Hinzukommen einer Plastikisolierung.
• E → D durch Verlängerung und Verjüngung beider Seiten und das Auftreten einer gewellten Form.
• D → W durch eine weitere asymmetrische Spezialisierung der beiden Seiten.
• H und F sehen aus als wären sie miteinander verwandt, mit H → F durch Hinzufügen des Materials für den Kopf. H könnte durch eine Verjüngung und Biegung von E abgeleitet sein, möglicherweise mit einem gemeinsamen Vorgänger von D, und später hinzugekommenen zusätzlichen Biegungen. Deshalb E → X (nicht in der Auswahl enthalten – ein bislang nicht entdecktes Fossil → D → W und X → H → F.
• G und O haben jeweils eine zweigeteilte Basis – könnten sie Teil der Sinus-Ordnung sein? O könnte durch eine Verjüngung und Entwicklung einer zentralen Kopfform von E abstammen und sich durch Streckung und Verstärkung in G entwickelt haben. In diesem Fall gäbe es eine starke Konvergenz zwischen G und S / P.

Innerhalb jeder ‚Ordnung‘ gibt es mehrere divergierende Linien. In der Ortho-Ordnung sind Linien häufig, die in der Größe zunehmen und auch eine Vielfalt in der Entwicklung der Basis und des Kopfes zeigen, sowohl zusammen als auch getrennt. Die Sinus-Ordnung zeigt eine Biegung in beiden Basen, und im Allgemeinen fehlt ein Kopf – was darauf hindeutet, dass G und O vermutlich zur Ortho- und nicht zur Sinus-Ordnung gehören.

Ihre Schüler mögen zu deutlich abweichenden evolutionären Linien gelangt sein, aber solange sie diese anhand der vier Grundprinzipien rechtfertigen können, sind diese Linien ebenso glaubwürdig. Wenn es sich bei den Objekten um bestehende Organismen handeln würde, dann gäbe es noch andere Argumentationslinien – wie z. B. die Untersuchung ihrer molekularen Merkmale oder ihrer Embryologie -, die einige Annahmen unterstützen und andere verwerfen könnten und damit genauer auf eine mögliche evolutionäre Linie hinweisen würden.

Variationen

Diese Unterrichtsaktivität kann auch mit anderen Objekten, z. B. Keksen oder Nudeln, durchgeführt werden. Diese Materialien können Farbe als weiteres Merkmal einführen. Dienen Farbunterschiede z. B. als Tarnung oder sind sie Ausdruck von Geschlechtsunterschieden?

Im Rahmen einer kurzen, 20-minütigen Unterrichtsaktivität kann eine kleine Anzahl von Objekten verwendet werden, um Probleme zu verdeutlichen, denen Paläontologen gelegentlich begegnen. Neue Arten können eingeführt werden, als wären sie kürzlich entdeckte Fossilien. Wie können diese neuen Entdeckungen im Stammbaum abgebildet werden?

Sobald die Schüler ihre Stammbäume fertig haben, bietet es sich an, diese untereinander auszutauschen und zu diskutieren. Sie könnten z. B. fragen:

1. Warum habt ihr XX als Ausgangspunkt für euren Stammbaum genommen?
2. Glaubt ihr, dass YY aus ZZ hervorgegangen ist?
3. Warum (nicht)?
4. Glaubt ihr, dass gleiche Formen in verschiedenen Farben zur gleichen oder zu verschiedenen Arten gehören?
5. Warum (nicht)?

Haben zwei Gruppen von Schülern identische Stammbäume aufgestellt? Kann jede Gruppe begründen, warum sie bestimmte evolutionäre Entwicklungslinien ausgewählt hat? Dies könnte zu einer Diskussion darüber führen, warum es sehr schwierig ist, einen zweifelsfrei „richtigen“ Stammbaum zu entwerfen. Damit können die Schüler beginnen, das Ausmaß an Fachkenntnis, das von einem Evolutionsbiologen benötigt wird, zu ermessen.

Als nächstes weisen Sie Ihre Schüler darauf hin, dass die verschiedenen Nudelarten (oder Kekse) aus verschiedenen Ausgangsmaterialien (Weizen, Roggen und Mais) hergestellt wurden und, wenn sie die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Nudeln in Betracht zögen, sie zu gänzlich anderen Stammbäumen gelangen würden. Normalerweise stellen die Schüler eine Verbindung zu DNA her. Für 15- und 16-Jährige reicht es aus zu sagen, dass manche Arten ähnliche DNA haben, obwohl sie unterschiedlich aussehen. Mit älteren Schülern (16+) und Studenten können konvergierende und divergierende Evolution eingehender diskutiert werden.

Als eine weiterführende Unterrichtsaktivität für ältere Schüler könnten die Schwierigkeiten diskutiert werden, unkontaminierte DNA aus sehr alten Proben zu extrahieren (siehe z. B. Hayes, 2011).

Als weitere aufbauende Unterrichtsaktivität könnte die von Kozlowski (2010) beschriebene Einführung in die molekulare Phylogenie verwendet werden.