Future City Lab: Comprender las compensaciones

Dígales a los estudiantes que son urbanistas, arquitectos o magnates de bienes raíces que trabajan con el gobierno local para construir casas. El gobierno solo proporcionará fondos si el proyecto no tiene un impacto negativo en el medio ambiente. Pregunte a los alumnos qué problemas anticipan. Espere que presenten el precio como una de las posibles limitaciones. Las restricciones que modela esta actividad son el precio, la energía incorporada y el aislamiento. Necesitará definir la energía incorporada aquí (ver arriba). Explique que el aislamiento es una consideración importante porque después de que se construye la casa, la gran mayoría de la energía se gasta en calefacción / refrigeración.

Presente a los estudiantes las reglas: deben elegir un material cada uno para los cimientos, el techo y las paredes. Hay tarjetas que describen los materiales y los puntajes.

Los estudiantes tienen la tarea (en parejas o grupos de tres) de construir una casa. Cada tarjeta tiene una puntuación de 10 para cada uno de los tres parámetros, siendo 10 la mejor puntuación posible. Su tarea es construir una casa que tenga un puntaje total de encima de 15 para cada parámetro (promedio encima de 5 por componente de la casa). En otras palabras: para este escenario, si los puntajes de energía incorporada, costo-efectividad y aislamiento no son todo por encima de 15, el gobierno no proporcionará fondos y los estudiantes deben volver a la mesa de dibujo.

Nota: esto está diseñado para ser imposible. Como máximo, los estudiantes solo pueden optimizar dos parámetros a costa del otro.

Después de que los estudiantes hayan tenido suficiente tiempo para luchar con este problema, haga que compartan cuáles fueron sus conclusiones de la actividad: ¿por qué la actividad fue tan difícil (imposible)? ¿Qué muestra esto? Revele a los estudiantes que estaba ilustrando el concepto de un disyuntiva. Pregúnteles: sabiendo esto, ¿cuál creen que es la definición de un compromiso? (Un compromiso es un compromiso: obtener un beneficio específico tiene un costo.)

Pregunte (gire y hable antes de compartir): Aquí ilustramos qué tipo de factores constreñir qué tipo de casas se pueden construir. ¿Qué limitaciones existen para un ser vivo? (Las posibles respuestas pueden incluir: tiempo, espacio, comida, energía).

Luego plantee esta pregunta (es posible que los estudiantes aún no puedan responder): ¿Cómo nos ayudan las compensaciones a comprender la selección natural?

Posible error que se debe tener en cuenta más adelante en la lección: los estudiantes tenderán a pensar en el nivel de los organismos en lugar de en la población. Entonces, si bien un organismo individual puede gastar energía en una cosa sobre otra, esta NO es la elección del organismo individual. Más bien, los grupos de organismos que han alcanzado el compromiso fisiológico más beneficioso tienen una ventaja selectiva.

Presente a los alumnos dos conjuntos de especies de aves (folleto). Para cada ave, muestra su hábitat, dieta y comportamiento de apareamiento. Usando el dispositivo de encuadre de un "presupuesto de energía", pida a los estudiantes que primero determinen los patrones que notan, luego identifiquen cualquier compensación.

Algunos patrones: los organismos en ambientes fríos gastan menos energía en el cortejo, los organismos con alimentos de alta energía tienen más parejas de apareamiento.

Las compensaciones energéticas inherentes tienen que ver con la entrada y salida de energía. Los organismos en regiones frías con escasez de alimentos deben gastar energía para mantenerse calientes y alimentarse / cazar. Esto tiene el costo de buscar más o mejores compañeros. Recíprocamente, los organismos que viven en ambientes cálidos con alimentos de alta energía son favorecidos para gastar parte de esa energía en encontrar una pareja ideal. Tenga en cuenta que la amazona de frente blanca no se ajusta perfectamente al patrón. Está bien, este es un modelo demasiado simplificado.

Haga que los grupos compartan y luego discutan. ¿Qué es una compensación evolutiva? ¿Cómo es similar y diferente a las compensaciones al construir una casa?

Una compensación evolutiva es aquella en la que el mundo natural selecciona un rasgo que confiere una ventaja de una manera, pero tiene un costo. Podría decirse que cada adaptación es una compensación.

Aquí hay un momento para aclarar que en la actividad de la casa, el responsable de la toma de decisiones era el contratista, un humano. En el caso de las compensaciones de energía en evolución, el que toma las decisiones es la selección natural. Cualquier balance que sea más favorable confiere una ventaja reproductiva.

Presente a los estudiantes o grupos de estudiantes con estos problemas, que varían en dificultad, para ayudarlos a practicar el pensamiento en términos de compensaciones evolutivas. Las respuestas se proporcionan debajo de cada problema.

1.) Pez cueva ciego

Se cree que el pez cueva mexicano se separó de su primo que habita en la superficie hace solo un millón de años, ¡y sin embargo no tiene ojos! ¿Qué puede explicar la pérdida de los ojos (llamada evolución regresiva) en un ambiente oscuro? ¡Asegúrate de explicar usando el lenguaje de la selección natural, no la evolución lamarckiana!

Los ojos son extremadamente costosos en energía, y representan aproximadamente el 15% del gasto de energía para un pez de este tamaño. Los ojos también son propensos a las infecciones. Si los ojos no proporcionan la ventaja de la vista, esa energía se desperdiciará. Los peces que dedicaron su energía a otras funciones biológicas (como quizás la reproducción) tuvieron una ventaja selectiva.

2.) Águila real

Las águilas reales son grandes aves depredadoras. Principalmente comen peces, reptiles, ardillas y otros pequeños roedores. Las águilas reales usan el "método de agarre sostenido" para matar presas: agarrar a la presa y apretar con garras. Casi nunca comen presas grandes como las cabras montesas, pero cuando lo hacen, usan un método diferente: recogen las cabras e intentan hacer que pierdan el equilibrio, por lo que se caen del acantilado. El águila vuela a la base del acantilado para su fiesta. ¿Por qué este método es específico para las cabras y no se ve con las serpientes, que también viven en hábitats montañosos?

Este es un gran ejemplo de la "Teoría óptima de búsqueda de alimento", que propone que la evolución seleccione el método que resulte en la mayor ganancia neta de energía: las calorías de los alimentos menos las calorías de la energía gastada en obtener esos alimentos. Dejar caer una cabra produce una gran cantidad de alimentos por un esfuerzo relativamente pequeño. Por el contrario, volar hacia arriba y hacia abajo de una montaña es demasiada energía para gastar en una serpiente que podría matarse fácilmente solo con garras.

3.) Alzheimer en el Caribe

En los barrios bajos de Brasil y en otros lugares, el agua de baja calidad hace que muchos niños mueran por complicaciones debido a la diarrea. Estos niños se deterioran debido a la deshidratación y / o desnutrición. En la misma población, una mutación genética rara llamada APOE4 es mucho más común, en comparación con cualquier otro lugar del mundo. Esta mutación aumenta la probabilidad de enfermedad de Alzheimer más adelante en la vida. ¿Cuál es una posible explicación evolutiva?

Se ha demostrado que APOE4 previene problemas de desarrollo en niños debido a la desnutrición provocada por una diarrea excesiva. ¿Por qué es favorable esta compensación? El Alzheimer afecta a las personas generalmente después de que se reproducen. Por lo tanto, en una población donde los niños mueren por este tipo específico de desnutrición, la selección natural favorece la supervivencia de los niños hasta la edad reproductiva a costa de la demencia más adelante en la vida.

4.) Haya Drop

La gota de haya es tanto una planta como un parásito. Succiona los nutrientes de las raíces del haya para sostenerse. Podemos suponer con seguridad que, dado que las gotas de haya son plantas, descienden de plantas con hojas verdes. Las gotas de haya tienen hojas escamosas sin clorofila. Seguramente la fotosíntesis permitiría una fuente secundaria de energía: ¿por qué la selección natural podría haber favorecido la pérdida de hojas?

Los parásitos deben especializarse para evadir las defensas de su huésped. Esto cuesta energía. En el caso de la caída de haya, crecen estructuras especializadas llamadas haustorios que pueden penetrar en las paredes celulares de las plantas. La fotosíntesis no es una actividad pasiva: cultiva hojas funcionales con las estructuras especializadas necesarias y hace que la clorofila tome considerables nutrientes y energía. Las plantas compiten por la luz solar. La especialización en parasitismo claramente tiene una ventaja selectiva sobre una estrategia de "intercambio de todos los oficios".

5.) Envejecimiento

Una gran cantidad de evidencia científica apunta a la hipótesis de que el envejecimiento (también llamado senescencia) está programado en nuestros genes, al igual que una nueva tecnología como un iPhone tiene "obsolescencia planificada". ¿Cómo es esto posible, dado lo que sabe sobre la selección natural? ?

Esto es nuevamente una compensación energética. La energía que se necesita para mantener y reparar el cuerpo de un organismo tiene el costo de la energía gastada en la reproducción. No hay una ventaja selectiva en vivir el doble de tiempo a menos que uno también reproduzca más del doble.

6.) Arañas lobo macho

La araña lobo macho corteja a su pareja golpeando furiosamente sus patas contra las hojas secas. Estudios recientes han demostrado que esta actividad tiene el costo directo de la función inmune de la araña masculina. ¿Por qué podría esto ayudar a explicar por qué el tamborileo es atractivo para la araña hembra?

Esta compensación es precisamente la razón por la cual tocar la batería se llama un "rasgo honesto". Solo un hombre verdaderamente sano puede permitirse gastar energía en esta actividad de cortejo. Por lo tanto, un hombre tamborileante que no está enfermo muestra una buena forma física.

Vemos que todos los sistemas, desde los inanimados como las casas hasta los organismos naturales, operan en un sistema de compensaciones en la búsqueda de la máxima eficiencia. ¿Qué diferencias vemos en la elección humana sobre los materiales de construcción y el proceso natural de selección natural? ¿Se puede decir que uno es más "racional" que otro, o son sus inconvenientes para ambos?