Filogenesi di oggetti fatti dall’uomo: simulare l’evoluzione in classe Teach article

Tradotto da Erica Valentini. Le relazioni evoluzionistiche possono essere difficili da spiegare. Usando semplici oggetti di uso comune i vostri studenti possono arrivare a capirle da soli.

Giovane esemplare maschio
di libellula (Calopteryx virgo)

Per genitle concessione di
Michael Apel/ Wikimedia
Commons

Gli uccelli, i pipistrelli e gli insetti hanno le ali; i cavalli, i millepiedi e i coccodrilli hanno le zampe. Molte specie distanti tra loro possono essere raggruppate in base a somiglianze fisiche – questa è una delle difficoltà che si incontrano nello studio dei fenotipi morfologici quando si vogliono determinare le relazioni evoluzionistiche. L’evoluzione convergente può portare a strutture apparentemente simili.

Nonostante il risultato finale possa essere lo stesso (es. la presenza di ali), i punti di partenza possono essere molto diversi. Alcuni organismi che appaiono simili, e quindi relazionati, sono in realtà molto lontani l’uno dall’altro nell’albero filogenetico.

Avocetta Americana
(Recurvirostra americana)

Per gentile concessione di
kevincole / Wikimedia
Commons

Al livello molecolare, lo studio del DNA e delle proteine può essere usato per creare un albero genealogico che guarda alle differenze tra sequenze omologhe: sequenze che si pensi derivino da un antenato comune. Kozlowski (2010) descrive un’eccellente attività per dimostrarlo in classe, ma la sensazione è di non essere direttamente coinvolti nello studio – i dati richiesti sono semplicemente scaricati e utilizzati. Quest’articolo fornisce un’introduzione complementare e più pratica allo studio dell’evoluzione, nella quale gli studenti raccolgono da soli tutte le informazioni necessarie prima di prendere in considerazione i principi di base.

In questa attività da svolgere in classe, i vostri studenti possono usare un’ampia gamma di oggetti per creare una filogenia artificiale basata sulla morfologia. L’albero genealogico che ne risulterà sarà artificiale nel senso che gli oggetti utilizzati non si sono evoluti veramente uno dall’altro.

Comunque, i problemi affrontati e le domande poste sono simili a quelle che si fanno i paleontologi quando osservano campioni di fossili, o gli entomologi quando osservano campioni di insetti morti nelle teche dei musei.

L’attività, che richiede circa 30 minuti, è adatta per un’ampia varietà di studenti, dai quindicenni ai laureati. L’attività consente agli studenti di:

  1. Usare la morfologia per creare un albero filogenetico.
  2. Collegare la morfologia agli adattamenti e prendere in considerazione la definizione di specie.
  3. Ipotizzare la morfologia degli “anelli mancanti” e trovare dei test in grado di dimostrare le loro ipotesi.
  4. Prendere in considerazione le sfide e le limitazioni che si incontrano nell’uso di alberi filogenetici basati sulla morfologia e sulle sequenze di DNA.
  5. Studiare autonomamente i concetti di evoluzione divergente, convergente e parallela.
  6. Presentare, discutere, difendere e giudicare un albero filogenetico proposto.
  7. Riconoscere le capacità necessarie agli scienziati per creare gli alberi filogenetici.

Principi guida

Un pipistrello della frutta
(Preropodidae)

Per gentile concessione di
Peter van der Sluijs /
Wikimedia Commons

Esistono quattro principi guida da utilizzare nella costruzione di un albero filogenetico basato sulla morfologia:

  1. Gli organismi che si somigliano sotto molti aspetti hanno probabilmente delle relazioni più strette rispetto a quelli che si somigliano solo leggermente. Cioè, maggiore è la similarità nella struttura (più caratteristiche hanno in comune), più strette saranno le relazioni tra le due forme.
  2. L’evoluzione è solitamente il risultato di un graduale accumulo di piccoli cambiamenti nella struttura (e nella funzione) ma occasionalmente accadono dei cambiamenti più repentini.
  3. In generale, forme più semplici generano forme più complesse e forme più piccole ne generano di più grandi, ma possono esistere delle eccezioni.
  4. I processi evoluzionistici non procedono al contrario ma può accadere che strutture specializzate si perdano.
 

Attività: l’evoluzione in classe

Una versione di questa attività richiede oggetti metallici come chiodi, viti, graffette, fermagli, e puntine da disegno. Maggiore è il numero di oggetti utilizzati, più lunga sarà l’attività.

Come linea guida, gli studenti dovrebbero impiegare all’incirca 15 minuti per ordinare le relazioni evoluzionistiche e 10-15 minuti per i feedback e la discussione. Il tempo richiesto potrebbe essere accorciato utilizzando meno oggetti o usando fogli stampati invece di oggetti reali – nonostante risulti più divertente maneggiare oggetti reali.

Materiali

Figura 1: Immagine di esempi
di oggetti fatti dall’uomo.
Clicca sull’immagine per
ingrandirla.

Per gentile concessione di John
Barker

Per ogni gruppo avrete bisogno del seguente insieme di oggetti di metallo (figura 1). In alternativa potete stampare la pagina con tutti gli oggetti (le istruzioni per questa attività possono essere scaricate dal sito di Science in School).

  • Puntina da 75 mm [A]
  • Chiodo da 20 mm [B]
  • Vite da 20 mm [C]
  • Forcina (50 mm) [D]
  • Punto metallico (25 mm) [E]
  • Spilla da balia (40 mm) [F]
  • Rivetto biforcato (20 mm) [G]
  • Graffetta (32 mm) [H]
  • Chiodo da 25 mm [J]
  • Puntina da tappezzeria (20 mm) [K]
  • Chiodo da 13 mm [L]
  • Vite da specchio (20 mm) [M]
  • Punto metallico isolato (13 mm) [N]
  • Fermacampione (20 mm) [O]
  • Puntina a testa piatta (20 mm) [P]
  • Vite a testa tonda (25 mm) [Q]
  • Chiodo da 50 mm [R]
  • Puntina da disegno (6 mm) [S]
  • Gancio a vite (20 mm) [T]
  • Forcina per capelli [W]
  • Vite da bullone (65 mm) [Z]

Si noti che, comunque, non è necessario che gli oggetti siano esattamente delle dimensioni descritte.

Procedura

  1. Dividere la classe in gruppi.
  2. Scegliere tra:
    a) Dare l’insieme degli oggetti mostrati nella figura a ogni gruppo. Assicurarsi che ogni oggetto abbia una lettera.
    b) Scaricare le figure degli oggetti in figura 1 dal sitow1 di Science in Schoole ritagliare ogni immagine mantenendo la lettera con la figura. Usare le immagini ritagliate come se fossero gli oggetti reali.
  3. Chiedere agli studenti di disporre gli oggetti in modo da formare una possibile serie evoluzionistica, usando i quattro principi guida. Incoraggiarli a scegliere la forma più piccola e semplice come possibile progenitore comune per il gruppo e poi a disporre gli altri come rami di un albero derivato da quel progenitore.
  4. Chiedere agli studenti di annotare i loro alberi usando le lettere associate agli oggetti.
  5. Spiegare i concetti di evoluzione divergente, convergente e parallela. In seguito chiedere agli studenti di mostrare esempi di evoluzione divergente, convergente o parallela nei loro alberi.

Alcune soluzioni e punti di discussione

Pasta
Per gentile concessione di
Isabelle Kling

Alcune linee evoluzionistiche sembrano abbastanza ovvie mentre altri campioni saranno più difficili da collocare. Alcuni potrebbero andare bene in molte posizioni diverse.

  • Il progenitore comune è probabilmente L – una forma piccola e semplice con una testa minuscola e un gambo semplice.
  • L → B → R è una linea ovvia che mostra un incremento della dimensione.
  • L → J → A è una linea parallela con un gambo quadrato e una testa che diventa più grande da L a J. L, B o J potrebbero portare a → C tramite un aumento nella complessità della testa e del gambo. (L o B sembrano dei probabili antenati perché J ha un gambo quadrato.)
  • C → Q → Z è una linea che mostra un incremento di dimensione, un incremento di complessità e, infine, un cambiamento del gambo. Probabilmente C → T attraverso un cambiamento della forma della testa e uno snellimento del gambo.
  • L → S → K è una linea che mostra un incremento di dimensione e una specializzazione della testa. Probabilmente S → P attraverso un incremento della dimensione, ma il materiale è diverso quindi è possibile che B o J → P, in questo caso esisterebbe una convergenza tra P e S/K.
  • G è parte di questa serie evoluzionistica? Potrebbe essere che S o P → G tramite inspessimento e successiva biforcazione del gambo. Probabilmente G → O attraverso una combinazione di allungamento e snellimento.
  • M presenta un problema interessante: delle sue due parti, la base è chiaramente molto simile a C nella struttura mentre la cima mostra similarità con Z, ma la testa è liscia, senza solchi. M mostra anche similarità con S ma il gambo è filettato, non liscio. Questo è probabilmente parte della diramazione che proviene da C, ma è chiaramente convergente con S. I due elementi rappresentano due sessi (che mostrano dimorfismo sessuale) o M è realmente un ibrido curioso tra i discendenti di C e S?

Tutte le serie evoluzionistiche considerate finora in pratica hanno un gambo dritto e un singolo asse (ad eccezione di G e O dove l’asse è doppio; T, che presenta una testa ricurva, è un altro esempio divergente). Potremmo dire che tutte queste forme sono membri di un singolo ordine – Orthos (dal greco “dritto”) o un nome simile. Il resto degli oggetti sono piegati in modi diversi – Sinuous (dal latino “curva”) o un nome simile. Tra gli oggetti ricurvi, la forma più semplice sembra essere E, di conseguenza è probabile che sia l’oggetto più vicino al progenitore comune.

  • Probabilmente L → E tramite la perdita della sua piccola testa e il ripiegamento del gambo ma è anche possibile che T → E tramite una perdita del gambo a vite e un successivo ripiegamento della testa. Sembra più probabile che T sia convergente alla serie che discende da E.
  • E → N tramite l’aggiunta dell’isolamento in plastica.
  • E → D tramite allungamento e snellimento dei due lati e la comparsa di onde.
  • D → W tramite un’ulteriore specializzazione asimmetrica dei due lati.
  • H e F sembrano relazionati tra loro, con H → F tramite aggiunta di materiale a formare la testa. H potrebbe derivare da E tramite snellimento e ripiegamento, possibilmente con D come antenato comune. Ripiegamenti ulteriori si sono formati successivamente, così E → X (non rappresentato nella raccolta – come un fossile ancora da scoprire) → D → W e X → H → F.
  • G e O hanno gambi doppi – fanno parte dell’ordine dei Sinuos o no? O potrebbe derivare da E tramite snellimento e sviluppo del centro in una specie di testa, e poi O potrebbe svilupparsi in G tramite rafforzamento e solidificazione. In questo caso esisterebbe una forte convergenza tra G e S / P.

All’interno di ogni “ordine”, esistono diverse linee divergenti. Serie che mostrano aumenti di dimensioni sono comuni nel gruppo degli Orthos; i quali mostrano anche varietà nello sviluppo della testa e del gambo, sia indipendentemente sia contemporaneamente. Il gruppo dei Sinuos mostra varietà nel ripiegamento dei due gambi; in generale non presentano teste – il che rende più probabile il fatto che G e O facciano parte degli Orthos e non dei Sinuos.

I vostri studenti potrebbero aver ipotizzato serie di linee evoluzionistiche molto diverse. Tuttavia, finché possono giustificarle utilizzando i quattro principi generali, ogni serie è ugualmente credibile. Se gli oggetti fossero stati organismi esistenti, ci sarebbero state altre possibili linee di discussione – come studi sulle loro caratteristiche molecolari o sulla loro embriologia – le quali avrebbero potuto supportare alcune ipotesi e smentirne delle altre. In questo modo avrebbero indicato più precisamente le possibili serie evoluzionistiche.

Variazioni

Biscotti
Per gentile concessione di
Isabelle Kling

Questo tipo di attività potrebbe essere anche condotta con un insieme di altri oggetti, per esempio biscotti o pasta. Questi materiali possono introdurre altre variabili – ad esempio quella del colore. Le differenze nei colori rappresentano esempi di camouflage o di dimorfismo sessuale?

Un piccolo gruppo di oggetti può essere usato per una semplice attività da 20 minuti che rappresenti i problemi che i paleontologi a volte si ritrovano ad affrontare. Possono essere introdotti nuovi campioni che simulano dei fossili appena scoperti. Come possono questi ritrovamenti essere inseriti nell’albero?

Una volta che i vostri studenti hanno completato i loro alberi, è utile valutare il lavoro gli uni degli altri. Per esempio potrebbero chiedere:

  1. Perché hai messo XX all’inizio del tuo albero?
  2. Pensi che YY si sia evoluto prima di ZZ?
  3. Perché (no)?
  4. Pensi che la stessa forma in diversi colori appartenga alla stessa specie o a specie diverse?
  5. Perché (no)?

I diversi gruppi di studenti hanno prodotto alberi identici? I singoli gruppi possono giustificare le ragioni per le quali hanno scelto un particolare percorso evoluzionistico? Ciò potrebbe portare a una discussione sul perché è molto difficile generare un albero inequivocabilmente ‘corretto’. Gli studenti potrebbero iniziare a rendersi conto dell’approfondimento e dell’insieme delle competenze che si richiede ad un biologo evoluzionistico.

In seguito, spieghi ai suoi studenti che le diverse forme di pasta (o di biscotti) sono fatte da una serie di ingredienti primari (grano, segale e mais) e, se guardassero alla composizione chimica di ogni forma, giungerebbero ad alberi molto diversi. Gli studenti normalmente conoscono il DNA. Per ragazzi di 15-16 anni, è sufficiente dire che alcune specie hanno un DNA simile, anche se sembrano molto diverse. Per studenti più grandi (16+), l’evoluzione convergente e divergente può essere approfondita.

Un’attività aggiuntiva per studenti più grandi potrebbe essere una discussione sulle difficoltà associate con l’estrazione di DNA non contaminato da campioni antichi (si guardi, per esempio, Hayes, 2011).

Un’attività aggiuntiva potrebbe essere l’introduzione dell’attività sulla filogenia molecolare descritta in Kozlowski (2010).

Ringraziamenti

Un’attività che richieda l’uso di oggetti metallici era stata inizialmente sviluppata dall’Open University’s Science Course Foundation Course Team per il Corso S100, Unità 21 ‘Unità e diversità’, Study Guide. Questa versione era stata adattata da Barker (1984).

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References

 

Web References

Resources

Author(s)

La Dottoressa Judith Philip ha una laurea specialistica in patologia, un dottorato in parassitologia e un master in scienze dell’educazione, tutti dall’Università di Cambridge (University of Cambridge), Inghilterra. Ha insegnato biologia alle superiori in Inghilterra per tre anni. Prima ha insegnato per sette anni a studenti delle facoltà di biologia, medicina e veterinaria.

John Barker ha insegnato in una scuola a Londra, Inghilterra, per una decade e in seguito si è dedicato all’educazione di insegnanti di scienze, prima al College Borough Road, Londra, e poi al Centre for Science Education, Chelsea College, Londra, durante questo periodo era uno del gruppo che produceva Nuffied Advanced Biology. Lui è vivamente interessato ai corsi per l’educazione di insegnanti di scienze alle prime armi e, per più di dieci anni, è stato direttore del corso al Chelsea college e, in seguito alla fusione, al King’s College di Londra. Adesso è in pensione.


Review

L’evoluzione è un concetto difficile da capire. Questo articolo descrive un’attività inusuale ma semplice da fare in classe, usando materiali che sono economici e di facile reperibilità per insegnare alcuni dei principi basici dell’evoluzione. Più in dettaglio, attraverso l’uso di alberi evoluzionistici, gli studenti possono studiare i fenomeni dell’evoluzione divergente, convergente e parallela. Ed è anche divertente!


Michalis Hadjimarcou, Cypro




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