Filogènies d’objectes manuals: simulant evolució a l’aula Teach article

Traduït per Alicia Pérez. Les relacions evolutives poden ser difícils d’explicar. Utilitzant objectes simples de la vida diària, els estudiants les poden entendre per ells mateixos.

Cavallet del diable mascle
juvenil (Calopteryx virgo)

Imatge cortesia de Michael
Apel / Wikimedia Commons

Tant els ocells com els ratpenats i els insectes tenen ales; els cavalls, els milípedes i els cocodrils tenen tots potes. Moltes especies que no estan relacionades es poden agrupar per similituds físiques – aquest és un dels problemes d’estudiar el fenotip morfològic per determinar relacions evolutives. La convergència evolutiva pot resultar en estructures aparentment similars.

Encara que el producte final sigui el mateix (ex: la presència d’ales), els punts inicials poden ser ben diferents. Alguns organismes que poden semblar similars i, per tant, relacionats, es troben, en realitat, molt separats en l’arbre filogenètic.

Bec d’alena americà
(Recurvirostra americana)

Imatge cortesia de kevincole /
Wikimedia Commons

A nivell molecular, estudis en ADN i proteïna poden ser emprats per construir un arbre familiar observant les diferències enter seqüències homòlogues: seqüències que es creu que han evolucionat d’un ancestre comú. Kozlowski (2010) descriu una activitat excel·lent per demostrar-ho a classe, però hi ha una complicació eliminada de l’estudi – la informació necessària simplement es descarrega i s’utilitza. Aquest article proporciona una introducció complementària i més manejable als estudis filogenètics, en la qual els estudiants apleguen totes les dades necessàries abans de comprendre els principis que hi ha al darrere.

En aquest activitat escolar, els estudiants poden utilitzar una àmplia gamma d’objectes per crear una filogènia artificial basada en la morfologia. L’arbre genealògic que produiran serà artificial en el sentit que, en realitat, els objectes emprats no han evolucionat els uns dels altres.

Tot i així, els problemes i les preguntes proposats són similars a aquells abordats per paleontòlegs utilitzant mostres de fòssils o per entomòlegs amb mostres d’insectes morts als gabinets dels museus.

L’activitat, la qual dura uns 30 minuts aproximadament, és adequada per un ampli rang d’estudiants, des d’alumnes de 15 anys fins a universitaris. L’activitat permet als estudiants:

  1. Utilitzar la morfologia per construir un arbre “filogenètic”.
  2. Connectar morfologia i adaptacions i considerar la definició d’espècie.
  3. Fer hipòtesis sobre la morfologia de baules perdudes i explicar com demostrarien les seves hipòtesis.
  4. Considerar les dificultats i limitacions d’utilitzar arbres filogenètics basats en la morfologia i basats ens seqüències d’ADN.
  5. Investigar per ells mateixos els conceptes d’evolució divergent, convergent i paral·lela.
  6. Presentar, discutir, defensar i avaluar un arbre filogenètic proposat.
  7. Reconèixer la perícia necessària per fer arbres filogenètics.

Pautes a seguir

Megaquiròpter (Pteropodidae)
Imatge cortesia de Peter van
der Sluijs / Wikimedia
Commons

Hi ha quatre pautes que cal seguir per generar un arbre filogenètic basat en la morfologia:

  1. Els organismes que s’assemblen en molts aspectes estan probablement més relacionats que altres organismes que s’assemblen menys. Per tant, com més gran és la semblança d’estructures (més característiques en comú), més probable és que la relació entre elles sigui més estreta.
  2. L’evolució normalment és el resultat de petits canvis estructurals (i funcionals), a vegades més grans, acumulats gradualment.
  3. En general, formes més simples donen lloc a formes més complexes i formes més petites a més gran, encara que hi poden haver excepcions.
  4. Els processos evolutius no van marxa enrere, però estructures especialitzades es poden perdre.
 

Activitat: evolució a l’aula

Una versió d’aquesta activitat utilitza objectes metàl·lics com per exemple claus, cargols, grapes, clips i xinxetes. Com més objectes hi hagin, més durarà l’activitat.

Com a guia, els alumnes necessitaran uns 15 minuts per trobar les relacions evolutives i uns 10-15 minuts per discutir. Els temps requerit es pot escurçar utilitzant menys objectes o utilitzant impressions en lloc d’objectes reals – encara que és més divertit amb objectes reals.

Materials

Figura 1: Exemples d’objectes
fets a mà. Fer clic sobre la
imatge per ampliar-la.

Imatge cortesia de John Barker

Per cada grup, necessitareu un exemplar de cadascun o alguns dels objectes metàl·lics següents (figura 1). Un alternativa seria utilitzar impressions dels objectes (les instruccions d’aquesta activitat es poden descarregar de la pàgina web de Science in school).

  • Xinxeta de 75 mm [A]
  • Clau de 20 mm [B]
  • Cargol de 20 mm [C]
  • Forqueta (50 mm) [D]
  • Grapes (25 mm) [E]
  • Imperdible (40 mm) [F]
  • Rebló (20 mm) [G]
  • Clip (32 mm) [H]
  • Xinxeta de 25 mm [J]
  • Xaveta (20 mm) [K]
  • Clau de 13 mm [L]
  • Cargol (20 mm) [M]
  • Grapes (13 mm) [N]
  • Enquadernador de paper de cap rodó (20 mm) [O]
  • Enquadernador de paper de cap pla (20 mm) [P]
  • Cargol de cap rodó (25 mm) [Q]
  • Clau de 50 mm [R]
  • Xinxeta (6 mm) [S]
  • Ganxo (20 mm) [T]
  • Forqueta [W]
  • Cargol (65 mm) [Z]

Tot i així, no cal que els objectes siguin exactament de la mida indicada.

Procediment

  1. Dividir la classe en grups.
  2. Qualsevol d’aquestes dues opcions:
    a) Repartir un exemplar de cadascun dels objectes mostrats a la figura a cada grup. Cal assegurar-se que cada objecte té una lletra.
    b) Descarregar els dibuixos dels objectes de la figura de la pàgina web de Science in schoolw1 i retalla’ls, mantenint la lletra amb el dibuix. Utilitza els objectes impresos com si fossin els reals.
  3. Demana als estudiants que ordenin els objectes per formar una possible sèrie evolutiva, utilitzant les quatre pautes a seguir. Encoratja’ls per triar la forma més petita i simple com, probablement, l’ancestre comú del grup i després intentar organitzar els altres com a branques d’un arbre derivat d’aquest ancestre.
  4. Demana als estudiants que s’anotin els seus arbres utilitzant les lletres associades als objectes.
  5. Explica els conceptes d’evolució divergent, convergent i paral·lela. Després demana als estudiants que comprovin si hi ha esdeveniments evolutius divergents, convergents o paral·lels ens els seus arbres.

Solucions i temes de discussió

Pasta
Imatge cortesia de Isabelle
Kling

Mentre que algunes línies evolutives són molt evidents, altres objectes seran més difícils de col·locar. Alguns poden, fins i tot, encaixar en diverses posicions.

  • L’ancestre comú és probablement L – una forma petita i simple amb un cap petit i un eix simple.
  • L → B → R és una línia obvia mostrant un augment de mida progressiu.
  • L → J → A és una línia paral·lela amb un eix quadrat i un cap més gran entre L i J. L o B o J podrien haver → C amb un increment de complexitat del cap i de l’eix. (L o B semblen l’ancestre més probable perquè J té un eix quadrat.)
  • C → Q → Z és una línia que mostra un increment de mida I complexitat del cap i així com un canvi en l’eix. Probablement C → T a través d’un canvi en el cap acompanyat d’un estretament del cos.
  • L → S → K és una línia que mostra un increment de mida i especialització del cap. Probablement S → P a través d’un augment de mida, però el material és diferent així que és possible que B or J → P. En aquest cap hi hauria convergència evolutiva entre P i S / K.
  • Forma part G d’aquestes sèries evolutives? S o bé P podrien → G per mitjà d’un engruiximent i la conseqüent divisió de l’eix. Probablement G → O per una combinació d’elongació i estretament.
  • M presenta un problema interessant:de les seves dues parts, una, el component inferior, s’assembla en estructura clarament a C; l’altra part, el component superior, és semblant a Z però el cap és més llis, sense solcs. M també s’assembla a S però l’eix no és llis. Això és probablement resultat de la divergència de C però és clarament convergent amb S. Representen els dos components dos sexes (il·lustrant el dimorfisme sexual) o és M realment un híbrid curiós entre els descendents de C i S?

Totes les sèries evolutives considerades fins ara tenen bàsicament un eix recte i simple (tot i les excepcions de G i O que tenen doble eix; T, que té el cap corbat, és un altre tipus molt divergent). Podríem dir que totes aquestes formes són membres del mateix ordre – Orthos (del grec, “recte”) o algun altre nom similar. La resta dels objectes són corbats en diferents direccions – Sinous (del llatí, “corba”) o algun nom semblant. Dels objectes corbats, el més simple és probablement E i és probable que sigui el més proper a l’ancestre comú.

  • Probablement L → E per pèrdua del petit cap i corbament de l’eix però només podem imaginar que T → E per mitjà de la pèrdua de la rosca del cargol i corbament del cap. Sembla més probable que T és convergent amb els descendents d’E.
  • E → N per addició d’aïllament plàstic.
  • E → D per elongació i estretament dels dos costats i aparició d’ones.
  • D → W per especialització asimètrica dels dos costats.
  • H i F semblen relacionats, amb H → F per addició de material per formar un cap. H podria haver evolucionat d’E per estretament i corbament, possiblement amb l’ancestre comú amb D; més corbaments can donar lloc a E → X (no representat a la col·lecció – un fòssil no descobert fins ara) → D → W i X → H → F.
  • G i O tenen doble eix – podrien formar part de l’ordre Sinous? O podrien ser derivats d’E per estretamet i desenvolupament d’un centre en una mena de cap, i llavors O podria haver evolucionat a G per enfortiment i solidificació. En aquest cas, hi hauria una forta convergència entre G i S / P.

Dins de cada “ordre”, hi ha moltes línies divergents. Sèries amb increments de mida són comunes al grup Orthos; també presenten varietat en el desenvolupament del cap i de l’eix, tant independentment com conjuntament. D’altra banda, el grup Sinous presenta varietat en el corbament dels dos eixos; en general estan mancats de caps – la qual cosa fa encara més probable que G i O siguin Orthos i no Sinuos.

Els estudiants poden haver pensat en diferents sèries de línies evolutives però mentre puguin justificar-les utilitzant les quatre pautes, totes les sèries con creïbles. Si els objectes fossin organismes reals, llavors hi hauries altres possibles línies de discussió – per exemple, estudis de característiques moleculars o embriologia – la qual cosa donaria suport a algunes hipòtesis mentre que en desfaria altres i indicaria amb més precisió les línies evolutives més probables.

Variacions

Galeta
Imatge cortesia de Isabelle
Kling

Aquest tipous d’activitt també es pot dur a terme amb altres grups d’objectes com per exemple galetes o pasta. Aquests materials poden introduir una altra variable – el color. Representen les variacions de color camuflatge o dimorfisme sexual?

Per una activitat simple de 20 minuts, es pot utilitzar un petit grup d’objectes per representar els problemes adreçats pels paleontòlegs. Es poden introduir nous objectes com si fossin fòssils descoberts recentment. Com es poden encaixar a l’arbre aquests nous descobriments?

Un cop els estudiants han completat els seus arbres, és molt útil per ells valorar el treball dels altres companys. Per exemple, podrien preguntar:

  1. Per què has posat XX al principi de l’arbre?
  2. Creus que YY va evolucionar abans que ZZ?
  3. Per què (no)?
  4. Creus que diferents versions de la mateixa forma en diferents colors són diferents espècies o la mateixa?
  5. Per què (no)?

Alguns grups d’estudiants han generat arbres idèntics? Pot cada grup justificar les vies evolutives que ha triat? Això pot portar a una discussió sobre per què és complicat generar un arbre “correcte”. Els estudiants poden començar a apreciar la profunditat i amplitud de coneixement que cal per ser un bon biòleg evolutiu.

Tot seguit, es pot dir als estudiants que les diferents formes de pasta (o galetes) estan fetes dels mateixos ingredients primaris (blat, sègol i blat de moro) i que si haguessin de mirar la composició química de cada forma, obtindrien uns arbres molt diferents. Els estudiants normalment ho relacionen amb l’ADN. Per estudiants de 15 i 16 anys, és suficient amb dir que algunes espècies tenen un ADN semblant tot i ser aparentment diferents. Per estudiants més grans (16+), es pot discutir més detalladament l’evolució convergent i divergent.

Un extensió de l’activitat per estudiants de més edat podria ser discutir les dificultats associades a extreure DNA no contaminat de mostres antigues (veure, per exemple, Hayes, 2011).

Una altra extensió de l’activitat podria ser la introducció de la filogènia molecular, una activitat descrita a Kozlowski (2010).

Agraïments

La activitat amb materials metàl·lics va ser ideada originalment per Open University’s Science Course Foundation Course Team for the S100 Course, Unit 21 ‘Unity and diversity’, Study Guide. Aquesta versió ha estat adaptada per Barker (1984).

Download

Download this article as a PDF

References

 

Web References

Resources

Author(s)

Dra. Judith Philip té un màster en patologia, un doctorat en parasitologia i un màster en ciències de l’educació, tot per la Universitat de Cambridge, Regne Unit. Ha estat professora de biologia en una escola de secundària a Anglaterra durant tres anys. Abans d’això havia ensenyat biologia, medicina i medicina veterinària durant 7 anys a estudiants no graduats.

John Barker va ser professor a Londres durant una dècada i després es va centrar en l’educació de professors de ciència, primer al Borough Road College, Londres, i després al Centre for Science Education, Chelsea College, Londres, el qual durant aquest temps va ser un dels equips que va produir Nuffield Advanced Biology. Ell està molt interessat en cursos educatius per professors de ciència i va ser director del Chelsea College, i, després de la seva amalgamació, al King’s College London, durant més de 10 anys. Ara ja està retirat.


Review

Evolució és un concepte complicat d’entendre. Aquest article descriu una activitat original però simple, utilitzant material econòmic i a l’abast per ensenyar alguns dels conceptes bàsics de l’evolució. Més concretament, a través d’arbres filogenètics, els estudiants poden investigar els fenòmens d’evolució divergent, convergent i parlal·lela. A més, és divertit!


Michalis Hadjimarcou, Xipre




License

CC-BY-NC-SA