Η Φυσική επιλογή εν δράσει

Παρατηρούμε το εικονικό πείραμα Evolution in action στην ιστοσελίδα (διάρκεια 7’)

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/evolution/evolution.html

Σε συγκεκριμένα σημεία διακόπτουμε το βίντεο, μεταφράζουμε και αν είναι αναγκαίο εξηγούμε και ζητάμε να απαντήσουν στις αντίστοιχες ερωτήσεις στο φύλλο εργασίας. Συγκεκριμένα διακόπτουμε το βίντεο 7 φορές για να συμπληρωθούν οι απαντήσεις σε 7 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής στο φύλλο εργασίας και μια όγδοη για να απαντήσουν προφορικά.

Η Εξέλιξη εν δράσει

Σε αυτό το βίντεο διεξάγεται ένα πείραμα στο οποίο εξετάζεται αν μπορεί να πραγματοποιηθεί εξέλιξη σε ένα πληθυσμό φρουτόμυγων. Συγκεκριμένα θα εξετάσουμε για πόσο χρόνο μπορούν να ζήσουν οι φρουτόμυγες χωρίς φαγητό πριν πεθάνουν, ποσότητα που ονομάζεται “αντοχή πείνας”. Στη βιολογία, ο όρος πληθυσμός έχει συγκεκριμένη σημασία: είναι μια ομάδα οργανισμών του ιδίου είδους που ζουν σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή – στην περίπτωση αυτή ένα κλουβί στο εργαστήριο σας.

• 1^η διακοπή – 1^η ερώτηση

Πώς μετράμε την αντοχή στην πείνα; Σε αυτό το πείραμα, ξεκινάμε το ρολόι τη στιγμή που αφαιρούμε το φαγητό, αλλά όχι το νερό, από το κλουβί. Οι μύγες φρούτων έχουν μικροσκοπικά σώματα που δεν περιέχουν σημαντικά θερμιδικά αποθέματα. Μετά από σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, αρχίζουν να πεθαίνουν. Χρησιμοποιώντας ένα γράφημα, μπορείτε να δείτε τον αριθμό των μυγών σε σύγκριση με το, πόσες ώρες επιβίωσαν πριν από την πείνα. Από αυτή την προκαταρκτική μελέτη παρατηρείτε ότι η μέση αντοχή πείνας σε αυτόν τον πληθυσμό είναι 20 ώρες.

• 2^η διακοπή – 2^η ερώτηση

Αυτό αποτελεί το πρώτο σας βήμα στη χρήση της επιστημονικής μεθόδου: παρατήρηση. Τώρα καταλήγετε στην υπόθεση ότι οι μύγες των φρούτων μπορούν πράγματι να «επιλεγούν» για να έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην πείνα. Αυτό σημαίνει ότι δοκιμάζετε, αν ο πληθυσμός μπορεί να εξελιχθεί από τη μία γενιά στην άλλη. Η πρόβλεψή σας είναι ότι εάν ο πληθυσμός υποστεί φυσική επιλογή για ανθεκτικότητα στην πείνα, οι επόμενες γενιές φρουτόμυγων μπορεί να υπερβούν τις κατά μέσο όρο 20 ώρες ανθεκτικότητας στην πείνα.

• 3^η διακοπή – 3^η ερώτηση

Επιστημονική μέθοδος

Παρατήρηση : ο μέσος χρόνος αντοχής πείνας στη φρουτόμυγα είναι 20 ώρες

Υπόθεση : οι φρουτόμυγες μπορούν να επιλεγούν να έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην πείνα

Πρόβλεψη : εάν ο πληθυσμός υφίσταται επιλογή για την αντοχή πείνας, οι επερχόμενες  γενεές θα υπερβούν το μέσο όρο των 20 ωρών αντοχής πείνας.

Διεξαγωγή πειράματος

Για να πραγματοποιήσετε το πείραμα, αρχίζετε με ένα μεγάλο αριθμό μυγών στο κλουβί. Ο πληθυσμός είναι στην πραγματικότητα πολύ μεγαλύτερος από αυτόν που απεικονίζεται εδώ, με κάθε μύγα να αντιπροσωπεύει 500 άτομα. Ως εκ τούτου, ο πληθυσμός αποτελείται από περίπου 5000 μύγες.

Όπως και πριν, αρχίζετε αφαιρώντας το φαγητό. Σημειώστε ότι οι μύγες σε αυτό το πείραμα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλότητα στο χαρακτηριστικό γνωρισμά τους για αντοχή στην πείνα και ότι αυτή η ποικιλότητα υπάρχει πριν ακόμα ξεκινήσει το πείραμά μας. Το πείραμα, μας επιτρέπει απλώς να προσδιορίσουμε ποιες από αυτές τις μύγες έχουν τα χαρακτηριστικά για την ισχυρότερη ανθεκτικότητα στην πείνα. Μετά το θάνατο του 80% των μυγών, διατηρείτε το υπόλοιπο 20% προσθέτοντας ξανά τροφή στο κλουβί. Με αυτόν τον τρόπο, έχετε επιλέξει μόνο τις πιο ανθεκτικές στην πείνα μύγες φρούτων.

• 4^η διακοπή – 4^η ερώτηση

Κατά μέσο όρο, αυτή η πρώτη γενιά έχει αντοχή πείνας 20 ωρών. Θα μπορέσει η επόμενη γενιά να επιβιώσει  περισσότερο χωρίς φαγητό;

θυμηθείτε ότι αυτές οι δύο μύγες που παραμένουν, αντιπροσωπεύουν στην πραγματικότητα 1000 μύγες από τον πληθυσμό και ότι αυτός ο πληθυσμός εξακολουθεί να διατηρεί μεγάλη ποικιλότητα για την αντοχή πείνας. Αφού οι επιζώντες μύγες τρώνε, θα έχουν την ενέργεια να αναπαραχθούν. Τα θηλυκά θα εναποθέσουν τελικά αυγά πάνω στην τροφή.

Τώρα συλλέγετε τα αυγά και τα μεταφέρετε σε ένα νέο κλουβί. Τα αυγά αυτά αντιπροσωπεύουν τη γενιά 2 και τελικά εκκολάπτονται και αναπτύσσονται σε νέες ενήλικες φρουτόμυγες. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι αυτή η νέα γενιά αποτελείται από απογόνους από τις πιο ανθεκτικές στην πείνα μύγες της προηγούμενης γενιάς.

Εκτελούμε την ίδια διαδικασία με τη γενιά 2. Και πάλι σώζουμε τις πιο ανθεκτικές στην πείνα μύγες στο τέλος, προσθέτοντας τροφή. Σημειώστε ότι η μέση ανοχή πείνας της γενιάς 2 είναι 23 ώρες – 3 ώρες μεγαλύτερη από αυτή της γενιάς 1.

Αν και έχουμε μεγαλώσει αυτές τις μύγες υπό τεχνητές συνθήκες, οι πληθυσμοί έχουν υποβληθεί στη διαδικασία που ονομάζεται φυσική επιλογή. Σημειώστε ότι στο πείραμά μας οι μύγες που είναι ζωντανές είναι οι πιο ανθεκτικές στην πείνα, που είναι ένα κληρονομήσιμο και εξαιρετικά μεταβλητό γνώρισμα. Είναι σαφές ότι αυτές οι μύγες θα έχουν μεγαλύτερη αναπαραγωγική επιτυχία από τις μύγες που είναι πλέον νεκρές.

• 5^η διακοπή – 5^η ερώτηση

Εξ ορισμού, η φυσική επιλογή είναι ένας μηχανισμός εξέλιξης που συμβαίνει όταν υπάρχει κληρονομήσιμη ποικιλότητα για ένα χαρακτηριστικό (όπως η αντοχή στην πείνα) και τα άτομα με μια εκδοχή του χαρακτηριστικού έχουν μεγαλύτερη αναπαραγωγική επιτυχία από ό, τι τα άτομα με διαφορετική εκδοχή αυτού του χαρακτηριστικού.

Τι θα συμβεί αν συνεχίσετε να επαναλαμβάνετε αυτά τα βήματα για τις νέες γενιές, ξεκινώντας πάντα με τα αυγά από τις φρουτόμυγες στο κορυφαίο 20% της αντοχής πείνας σε κάθε γενιά; Η μέση ανθεκτικότητα στην πείνα θα αυξηθεί μετά από 5 γενιές; Στην πραγματικότητα, η μέση επιβίωση του πληθυσμού θα ήταν περίπου 32 ώρες.

Πόσο μπορεί να εξελιχθεί ο πληθυσμός από την άποψη της μέσης ανθεκτικότητας στην πείνα; Εκπληκτικά, μετά από 60 γενιές, η μέση μύγα μπορεί να επιβιώσει περισσότερο από 160 ώρες χωρίς φαγητό.

Σε 60 γενιές, από ένα πείραμα που κράτησε σχεδόν τρία χρόνια, οι μύγες έχουν περάσει από αντοχή πείνας μικρότερη από μία ημέρα σε σχεδόν μία εβδομάδα. Στο σημείο που αφαιρείται το φαγητό, οι μύγες στη γενιά 60 είναι αξιοσημείωτα πιο παχιές από ό, τι ήταν οι μύγες στην πρώτη γενιά. Το σώμα τους έχει αναπτύξει μεγαλύτερα θερμιδικά αποθέματα.

• 6^η διακοπή – 6^η ερώτηση

Τι συνέβη σε αυτόν τον πληθυσμό; Με μια λέξη: εξέλιξη.

Μπορέσαμε να δημιουργήσουμε πληθυσμούς που είναι περισσότερο ανθεκτικοί στην πείνα. Αν και παρουσιάζουμε μεμονωμένες μύγες από την πρώτη και την τελευταία γενιά, να έχετε κατά νου ότι ένα άτομο δεν εξελίσσεται στη διάρκεια της ζωής του. Η εξέλιξη είναι, αντίθετα, μια γενετική αλλαγή σε έναν πληθυσμό. Από αυτό το πείραμα, μπορούμε τώρα να απαντήσουμε στην ερώτηση, “Συμβαίνει η εξέλιξη;” με ένα ξεκάθαρο ναι.

Μπορούμε επίσης να απαντήσουμε στην ερώτηση “Συμβαίνει η εξέλιξη;” εξετάζοντας το πώς τα αντιβακτηριακά σαπούνια σκοτώνουν τα βακτήρια. Αυτό το πείραμα είναι παρόμοιο με το πείραμα της μύγας των φρούτων, με τη διαφορά ότι υπάρχει διαφορετική πίεση φυσικής επιλογής. Ένας κοινός αντιμικροβιακός παράγοντας, που ονομάζεται triclosan, χρησιμοποιείται σε πολλά από αυτά τα προϊόντα.

Τα 800.000 έως ένα εκατομμύριο βακτήρια στα χέρια σας εμφανίζουν μεγάλη ποικιλομορφία. Σκεφτείτε ότι το triclosan μπορεί γρήγορα να σκοτώσει μερικά από αυτά. Αυτά τα βακτήρια είναι τα λιγότερο ανθεκτικά στον πληθυσμό – δηλαδή, είναι τα λιγότερο ικανά να επιβιώσουν από τη χημική επεξεργασία – και απεικονίζονται με ανοιχτόχρωμο χρώμα. Άλλα βακτήρια είναι πιο ανθεκτικά και απεικονίζονται εδώ σε σκούρο χρώμα. Τα επίπεδα αντοχής των υπόλοιπων βακτηρίων ποικίλουν μεταξύ αυτών των δύο ακραίων.

Όταν αρχίζετε να πλένετε τα χέρια σας με το αντιμικροβιακό σαπούνι, τα πρώτα βακτήρια που πεθαίνουν είναι αυτά που είναι λιγότερο ανθεκτικά στο triclosan. Κατά μέσο όρο, οι άνθρωποι δαπανούν λιγότερο από ένα λεπτό πλένοντας τα χέρια τους. Ωστόσο, το triclosan χρειάζεται αρκετά λεπτά για να σκοτώσει τα πιο ανθεκτικά βακτήρια, οπότε μετά από ένα μόνο λεπτό, παρατηρήστε ποια βακτήρια αφήνονται να αναπαραχθούν – μόνο τα πιο ανθεκτικά.

• 7^η διακοπή – 7^η ερώτηση

Πριν από το triclosan, ο πληθυσμός περιείχε βακτήρια με μεγάλη ποικιλία αντοχής, αλλά μετά από πλύσιμο με triclosan, ο πληθυσμός περιέχει μόνο τα πιο ανθεκτικά βακτήρια. Χρησιμοποιώντας αυτό το προϊόν, έχετε επιλέξει τα πιο ανθεκτικά βακτήρια και έτσι προκαλέσατε να πραγματοποιηθεί εξέλιξη.

Τι μπορείτε να κάνετε για αυτό;

• 8^η διακοπή στην οποία ζητάμε προφορικά τις ενδεχόμενες απαντήσεις.

Οι δύο πιο απλές εναλλακτικές λύσεις είναι να πλύνετε τα χέρια σας πολύ περισσότερο ή να χρησιμοποιείτε σαπούνια χωρίς αντιβακτηριακούς παράγοντες.

 

Φύλλο εργασίας  : Η φυσική επιλογή εν δράσει

Παρακολουθώντας το βίντεο Evolution in action επιλέξετε τη σωστή απάντηση στις παρακάτω ερωτήσεις.

Ερωτήσεις

1. Γιατί είναι σχετικό με το θέμα, ότι ο ορισμός του πληθυσμού είναι «άτομα το ίδιου είδους που ζουν στην ίδια περιοχή»;

Α. γιατί η βιολογία είναι η μελέτη των ειδών

Β. γιατί τα δεδομένα δεν μπορούν να συλλεχθούν με αξιοπιστία σε περισσότερες από μία περιοχή

Γ. γιατί μόνο άτομα του ίδιου είδους στην ίδια περιοχή μπορούν να αναπαραχθούν

Δ. γιατί μόνο άτομα ενός πληθυσμού  μπορούν να επηρεάσουν  το ένα την επιβίωση του άλλου.

Άρα : η μονάδα ζωντανής ύλης στην οποία δρα η φυσική επιλογή είναι ………………………

2. Γιατί μερικές μύγες ζουν μόνο 12 ώρες και άλλες ζουν 30 ώρες χωρίς φαγητό;

Α. γιατί μερικές μύγες έφαγαν περισσότερη τροφή πριν την απομακρύνουμε

Β. γιατί υπάρχει ποικιλότητα στον πληθυσμό για την αντοχή πείνας

Γ. γιατί μερικές μύγες έπρεπε χρειάζονταν να ζήσουν περισσότερο χωρίς τροφή

Δ. Γιατί μερικές μύγες διατήρησαν περισσότερη ενέργεια πετώντας λιγότερο.

Άρα :……………………………………………………………………………………………………………………………..

3. Ποιο από τα παρακάτω είναι η υπόθεση για το πείραμα με τις φρουτόμυγες;

Α. πόσο χρόνο μπορούν να επιβιώσουν οι μύγες πριν το κατώφλι της πείνας;

Β. η εξέλιξη είναι κάτι που μπορούμε να παρατηρήσουμε

Γ. οι φρουτόμυγες θα γίνουν ανθεκτικές στην πείνα όταν χρειαστεί να επιβιώσουν

Δ. μπορούμε να προκαλέσουμε την εξέλιξη των  φρουτόμυγων, ώστε να ζουν περισσότερο πριν το κατώφλι της πείνας.

 

4. Γιατί να επιλέξουμε το 20% των περισσότερο ανθεκτικών στην πείνα μυγών;

Α. γιατί επιλέγουμε άτομα ως προς ένα χαρακτηριστικό που επηρεάζει την επιβίωση και την αναπαραγωγή

Β. γιατί επιλέγουμε μύγες που μπορούν να αναπαραχθούν

Γ. γιατί επιλέγουμε μύγες που έχουν αποκτήσει αντοχή στην πείνα

Δ. γιατί χρειαζόμαστε μερικές μύγες για αναπαραγωγή

 

5. Ποιες είναι οι συνέπειες όταν μια φρουτόμυγα αποτυγχάνει αναπαραχθεί;

Α. τα γονίδια της πρέπει να μεταφερθούν από ένα άλλο άτομο του πληθυσμού

Β. μόνο μερικά από τα γονίδια της θα μεταφερθούν στην επόμενη γενεά

Γ. κανένα από τα γονίδια της δεν θα περάσει στην επόμενη γενεά

Δ. τα γονίδια της θα υπερπηδήσουν μία γενεά

Άρα : η αναπαραγωγή εξασφαλίζει …………………………………………………………………

6. Γιατί οι μύγες της 60^ης γενιάς είναι παχύτερες από τις μύγες της 1^ης γενιάς;

Α. γιατί έπρεπε να αναπτύξουν την ικανότητα να αντέχουν στην πείνα

Β. γιατί μερικές είχαν γονίδια που τους επέτρεπαν να ζουν περισσότερο χωρίς φαγητό

Γ. γιατί οι μύγες της 60^ης γενεάς έτρωγαν περισσότερο, ώστε να μπορέσουν να επιβιώσουν περισσότερο χωρίς φαγητό

Δ. γιατί μερικές απέκτησαν χαρακτηριστικά, τα οποία τους επέτρεπαν να επιβιώνουν χωρίς φαγητό.

Άρα : η ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών είναι …………………….

7. Τι σημαίνει αναπαραγωγική επιτυχία για τα βακτήρια;

Α. ότι κάποια άτομα ήταν ικανά να περάσουν τα γονίδια τους στην επόμενη γενεά

Β. ότι κάποια άτομα ήταν ικανά να αντισταθούν στο αντιβακτηριδιακό σαπούνι

Γ. ότι όλα τα άτομα αναπαράχθηκαν επιτυχώς

Δ. ότι όλα ήταν ικανά να αντισταθούν στο αντιβακτηριδιακό σαπούνι.

Αξιολόγηση

1. Μπορούμε λοιπόν να παρατηρήσουμε την εξέλιξη και σε ποιες περιπτώσεις;

 

2. Σε ποιο επίπεδο οργάνωσης της ζωής δρα η φυσική επιλογή;

 

3. Πώς ασκήσαμε την πίεση της φυσικής επιλογής στα δύο πειράματα (μύγες και βακτήρια);

 

Βιβλιογραφία

(ΑΔΑΜΑΝΤΙΑΔΟΥ ΣΜ., 2014)

(Βιολογία Γ Λυκείου Λενικης Παιδείας, βιβλίο καθηγητή, 2014)

(http://physcool.web.auth.gr/images/teyxos_3/Zatxigeorgiou_Politis%2049-57.pdf)

Ayala, 2010

Καμπουράκης, 2017