Φυλογενετική τεχνημάτων: προσομοιώνοντας την εξέλιξης στην τάξη Teach article

Μια εκδοχή αυτής της δραστηριότητας χρησιμοποιεί μεταλλικά αντικείμενα όπως βίδες, καρφιά, σύρμα συρραπτικού, συνδετήρες και πινέζες. Όσο μεγαλύτερος αριθμός αντικειμένων χρησιμοποιηθεί, τόσο πιο πολύ θα διαρκέσει η δραστηριότητα.

Σαν οδηγός αναφέρεται ότι οι μαθητές θα χρειαστούν περίπου 15 λεπτά να ξεκαθαρίσουν τις εξελικτικές σχέσεις και 10-15 λεπτά για σχόλια και συζήτηση. Ο χρόνος που απαιτείται θα μπορούσε να μειωθεί χρησιμοποιώντας λιγότερα αντικείμενα ή χρησιμοποιώντας εκτυπωμένο υλικό αντί για πραγματικά αντικείμενα  – παρόλα αυτά είναι πιο διασκεδαστικό να χρησιμοποιούνται πραγματικά αντικείμενα.

Υλικά

Για κάθε ομάδα, θα χρειαστείτε έναν αντιπρόσωπο από κάποια ή από όλα από τα ακόλουθα μεταλλικά αντικείμενα (σχήμα 1). Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εκτυπωμένο υλικό που να αντιστοιχεί σε αυτά τα αντικείμενα (μπορείτε να κατεβάσετε τις οδηγίες για αυτή τη δραστηριότητα από την ιστοσελίδα του Science in School.)

• 75mm πινέζα [A]
• 20mm καρφί [Β]
• 20mm βίδα [C]
• Φουρκέτα (50mm) [D]
• Σύρμα συρραπτικού (25mm) [E]
• Παραμάνα (40mm) [F]
• Πριτσίνι (20mm) [G]
• Συνδετήρας (32mm) [H]
• 25 mm πινέζα [J]
• Καρφίτσα ταπετσαρίας (20mm)  [K]
• 13 mm καρφί [L]
• Βίδα καθρέφτη (20mm) [M]
• Μονωμένο σύρμα συρραπτικού (13mm) [N]
• Πινέζα χαρτιού με κυκλική κεφαλή (20mm) [O]
• Πινέζα χαρτιού με επίπεδη κεφαλή (20mm) [P]
• Βίδα με κυκλική κεφαλή (25mm) [Q]
• 50mm καρφί [R]
• Πινέζα (6mm) [S]
• Αγκίστρι (20mm) [T]
• Φουρκέτα [W]
• Μπουλόνι (65mm) [Z]

Σημειώστε, όμως, ότι τα αντικείμενα δεν είναι απαραίτητο να είναι ακριβώς στο μέγεθος που αναφέρεται.

Διαδικασία

1. Χωρίστε την τάξη σε ομάδες.
2. . Είτε:
   Α) Μοιράστε ένα από κάθε αντικείμενο που φαίνεται στο σχήμα 1 σε κάθε ομάδα. Βεβαιωθείτε ότι κάθε αντικείμενο έχει ένα γράμμα.
   Β) Ανακτήστε τις εικόνες των αντικειμένων που φαίνονται στο σχήμα 1 από την ιστοσελίδα του Science in School^w1 και κόψτε τα, κρατώντας το γράμμα με την φωτογραφία. Χρησιμοποιείστε τις εκτυπωμένες εικόνες σαν να ήταν τα κανονικά αντικείμενα.
3. Ζητήστε από τους μαθητές σας να κατατάξουν τα αντικείμενα για να κατασκευάσουν μια πιθανή εξελικτική σειρά, χρησιμοποιώντας τις τέσσερις κατευθυντήριες αρχές. Ενθαρρύνετε τους να χρησιμοποιήσουν την μικρότερη, απλούστερη δομή ως πιθανό κοινό πρόγονο της ομάδας και έπειτα να προσπαθήσουν να κατατάξουν τις άλλες σαν κλαδιά ενός δέντρου που προκύπτουν από αυτόν τον πρόγονο.
4. Ζητήστε από τους μαθητές σας να κατασκευάσουν τα δέντρα τους χρησιμοποιώντας τα γράμματα που συσχετίζονται με τα αντικείμενα.
5. Εξηγείστε τους τις έννοιες της αποκλίνουσας, συγκλίνουσας και παράλληλης εξέλιξης. Στη συνέχεια βάλτε τους να σημειώσουν στα δέντρα τους πού μπορεί να υπάρχει πιθανή αποκλίνουσα, συγκλίνουσα ή παράλληλη εξέλιξη.

Μερικές λύσεις και σημεία συζήτησης

Μερικές εξελικτικές γραμμές φαίνονται πολύ προφανείς, ενώ άλλα αντικείμενα θα είναι πολύ δύσκολο να τοποθετηθούν στο δέντρο. Μερικά μπορεί να ταιριάζουν σε πολλές θέσεις.

• Ο κοινός πρόγονος είναι πιθανότατα ο L – μια μικρή απλή δομή με ένα μικρό κεφάλι και απλό σώμα.
• L → B → R είναι μια προφανής γραμμή που δείχνει την αύξηση σε μέγεθος.
• L → J → A είναι μια παράλληλη γραμμή με ένα τετράγωνο σώμα και ένα μεγαλύτερο κεφάλι σε σχέση με το L και το J. Το L ή το B ή το J μπορεί να δίνουν το → C με μία αύξηση στην περιπλοκότητα της κεφαλής και του σώματος. (Το L ή το B φαίνεται να είναι πιο πιθανοί πρόγονοι καθώς το J έχει τετράγωνο σώμα.)
• C → Q → Z είναι μια γραμμή που δείχνει την αύξηση στο μέγεθος, στην πολυπλοκότητα της κεφαλής και στην αλλαγή του σώματος. Πιθανότατα C → T μέσω αλλαγής στην κεφαλή συνοδευόμενης από λέπτυνση του σώματος.
• L → S → K είναι μια γραμμή που δείχνει αύξηση σε μέγεθος και εξειδίκευση της κεφαλής. Πιθανότατα S → P μέσω αύξησης σε μέγεθος, αλλά το υλικό είναι διαφορετικό συνεπώς είναι πιθανό ότι το Β ή το J → P, στην οποία περίπτωση θα υπάρχει σύγκλιση μεταξύ των P και S / K.
• Είναι το G μέρος αυτής της εξελικτικής γραμμής; Είτε το S είτε το P θα μπορούσαν → G μέσω πάχυνσης και επακόλουθου διαχωρισμού του σώματος. Πιθανότατα G → O με συνδυασμό επιμήκυνσης και λέπτυνσης (όπως συμβαίνει στην περίπτωση του χελιού).
• Το Μ παρουσιάζει ένα ενδιαφέρον πρόβλημα: από τα δύο μέρη του, το ένα, το κομμάτι της βάσης, είναι εμφανώς στη δομή του πολύ κοντά στο C. Το άλλο κομμάτι, της κορυφής, φαίνεται να έχει ομοιότητα με το Ζ αλλά η κεφαλή είναι λεία, όχι αυλακωμένη. To M δείχνει επίσης ομοιότητα με το S, αλλά το σώμα είναι σπειρωμένο, όχι λείο. Αυτό είναι πιθανότατα κομμάτι της απόκλισης από το C αλλά είναι εμφανώς σε σύγκλιση με το S. Τα κομμάτια αυτά αντιστοιχούν σε δύο φύλα (αναπαριστώντας τον φυλετικό διμορφισμό) ή είναι το Μ ένα παράξενο υβρίδιο μεταξύ των απογόνων των C και S;

Όλες οι εξελικτικές γραμμές που λαμβάνονται υπόψη μέχρι τώρα έχουν ένα ευθύ σώμα και έναν μοναδικό άξονα (εξαιρέσεις είναι το G και το Ο όπου το σώμα είναι διπλό. Το Τ, το οποίο έχει καμπυλωτή κεφαλή, είναι ένας άλλος τύπος με μεγάλη απόκλιση). Θα μπορούσαμε να πούμε ότι όλες αυτές οι δομές είναι μέλη μιας κοινής τάξης- Orthos (από την ελληνική λέξη ‘ορθός’) ή κάποιο παρόμοιο όνομα. Τα άλλα αντικείμενα είναι λυγισμένα με διάφορους τρόπους – Sinuos (από την λατινική λέξη ‘καμπύλη’) ή κάποιο παρόμοιο όνομα. Από τα καμπυλωτά αντικείμενα η απλούστερη μορφή είναι πιθανότατα το Ε, με αποτέλεσμα αυτό να είναι πιθανά το κοντινότερο στον κοινό πρόγονο.

• Πιθανότατα L → E μέσω της απώλειας της μικρής κεφαλής και καμπύλωσης του σώματος, αλλά είναι επίσης πιθανό το T → E με απώλεια της σπειραματικής επιφάνειας και περαιτέρω κάμψης της κεφαλής. Φαίνεται πιο πιθανό το Τ να είναι σε σύγκλιση με τη γραμμή που προέρχεται από το Ε.
• E → N με προσθήκη της πλαστικής μόνωσης.
• E → D με επιμήκυνση και λέπτυνση των δύο πλευρών αλλά και τη νέα κυματοειδή εμφάνιση.
• D → W με περαιτέρω ασύμμετρη εξειδίκευση των δύο πλευρών.
• Το Η και το F φαίνεται να είναι συγγενικά, με H → F με την προσθήκη υλικού για τον σχηματισμό κεφαλής. Το Η υπάρχει πιθανότητα να προέρχεται από το Ε με λέπτυνση και καμπύλωση, πιθανότατα με κοινή καταγωγή με το D. Έξτρα καμπύλωση πραγματοποιείται αργότερα, με αποτέλεσμα E → X (δεν παρουσιάζεται στην συλλογή- ένα απολίθωμα που μέχρι τώρα δεν έχει ανακαλυφθεί) → D → W και X → H → F.
• Το G και το Ο έχουν διπλό σώμα – θα μπορούσαν να είναι μέρος της τάξης Sinuos; Το Ο μπορεί να προήλθε από το Ε μέσω λέπτυνσης και ανάπτυξης του κέντρου για την δημιουργία κάποιου είδους κεφαλής, και έπειτα το Ο μπορεί να εξελιχθεί προς το G με ενδυνάμωση και σταθεροποίηση. Σε αυτή την περίπτωση θα υπάρχει ισχυρή σύγκλιση μεταξύ των G και των S/P.

Στα πλαίσια κάθε τάξης, υπάρχουν πολλές αποκλίνουσες γραμμές. Σειρές που δείχνουν την αύξηση σε μέγεθος είναι κοινές στην ομάδα Orthos. Επίσης δείχνουν ποικιλομορφία στην ανάπτυξη της κεφαλής και του σώματος, και ανεξάρτητα αλλά και μαζί. Η ομάδα Sinuos φαίνεται να έχει ποικιλία στον τρόπο κάμψης των δύο σωμάτων. Κατά κύριο λόγο τα μέλη της ομάδας δεν έχουν κεφαλές – με αποτέλεσμα να είναι ίσως πιο πιθανό ότι το G και το Ο είναι Orthos και όχι Sinuos.

Οι μαθητές σας μπορεί να έχουν σκεφτεί πολύ διαφορετικές σειρές εξελικτικών γραμμών αλλά όσο μπορούν να τις αιτιολογήσουν χρησιμοποιώντας τις τέσσερις κατευθυντήριες αρχές, κάθε σειρά είναι εξίσου σωστή. Αν τα αντικείμενα ήταν υφιστάμενοι οργανισμοί, τότε θα υπήρχαν και περαιτέρω περιθώρια διαπραγμάτευσης – όπως οι μελέτες των μοριακών τους χαρακτηριστικών ή της εμβρυολογίας τους – τα οποία θα μπορούσαν να υποστηρίξουν κάποιες υποθέσεις αναιρώντας άλλες και συνεπώς να δείχνουν με μεγαλύτερη σαφήνεια τις πιθανές εξελικτικές γραμμές.

Παραλλαγές

Αυτού του είδους η δραστηριότητα μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με σειρά άλλων αντικειμένων, για παράδειγμα μπισκότων ή αποξηραμένων ζυμαρικών. Αυτά τα υλικά μπορούν να εισάγουν άλλη μια μεταβλητή – αυτή του χρώματος. Η αλλαγές του χρώματος για παράδειγμα, αντιπροσωπεύουν καμουφλάζ, ή φυλετικό διμορφισμό;

Για μια απλή δραστηριότητα διάρκειας 20 λεπτών, μια μικρή ομάδα αντικειμένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί, η οποία θα αντιπροσωπεύει τα προβλήματα με τα οποία έρχονται πολλές φορές αντιμέτωποι οι παλαιοντολόγοι. Νέα δείγματα μπορούν να εισαχθούν ως απολιθώματα που έχουν προσφάτως ανακαλυφθεί. Πως μπορούν αυτά τα νέα ευρήματα να εισαχθούν στο δέντρο;

Μόλις οι μαθητές σας τελειώσουν τα εξελικτικά τους δέντρα, είναι σημαντικό να αξιολογήσουν ο ένας την δουλειά του άλλου. Για παράδειγμα, μπορούν να ρωτήσουν:

1. Γιατί έβαλες το ΧΧ στην αρχή του δέντρου σου;
2. Θεωρείς ότι το ΥΥ εξελίχθηκε πριν το ΖΖ;
3. Γιατί (όχι);
4. Θεωρείς ότι διαφορετικά χρωματισμένες εκδοχές του ίδιου σχήματος είναι το ίδιο ή διαφορετικό είδος;
5. Γιατί (όχι);

Έχει καμία ομάδα μαθητών παρουσιάσει πανομοιότυπα δέντρα με κάποια άλλη; Μπορεί κάθε ομάδα να εξηγήσει τους λόγους για τους οποίους επέλεξε συγκεκριμένα εξελικτικά μονοπάτια; Κάτι τέτοιο μπορεί να οδηγήσει σε μία συζήτηση σχετικά με το γιατί είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί ένα αδιαμφισβήτητα «σωστό» δέντρο. Οι μαθητές μπορούν τότε να εκτιμήσουν το βάθος και το εύρος εμπειρογνωσίας που απαιτείται να έχει ένα εξελικτικός βιολόγος

Στη συνέχεια, πείτε στους μαθητές σας ότι τα σχήματα των ζυμαρικών (ή των μπισκότων) τους είναι φτιαγμένα από ένα εύρος κυρίαρχων συστατικών (σιτάρι, σίκαλη και καλαμπόκι) και ότι αν έβλεπαν την χημική σύσταση κάθε σχήματος, θα έπαιρναν ένα πολύ διαφορετικό σετ δέντρων. Οι μαθητές συνηθίζουν να κάνουν την σύνδεση με το DNA. Για παιδιά 15-16 ετών, είναι αρκετό να πείτε ότι μερικά είδη έχουν παρόμοιο DNA, αν και φαίνονται πολύ διαφορετικά. Για μεγαλύτερους μαθητές (16+), η συγκλίνουσα και η αποκλίνουσα εξέλιξη μπορεί να συζητηθεί με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.

Μια επιπρόσθετη δραστηριότητα για μεγαλύτερους μαθητές μπορεί να είναι μια συζήτηση σχετικά με τη δυσκολία στην απομόνωση καθαρού DNA από αρχαία δείγματα (δείτε, για παράδειγμα, Hayes, 2011).

Μια ακόμα επιπρόσθετη δραστηριότητα μπορεί να είναι η εισαγωγή της μοριακής φυλογένεσης σύμφωνα με την δραστηριότητα που περιγράφεται από τον Kozlowski (2010).