Future City Lab: Entendendo as vantagens e desvantagens

Edifícios como organismos

Interdisciplinar

Palavras-chave: tradeoff, seleção natural, energia, restrições
Imagem
Fonte: www.flickr.com/rileyfive

Estimativa de tempo: 2-3 períodos de aula

Ligação a Laboratório da Cidade do Futuro: Abrigando uma população em crescimento: como podemos atender às necessidades de habitação dos nova-iorquinos?

Objetivos:

Os alunos irão:

  • explorar a natureza das compensações em uma atividade de projeto de casa
  • relacionar o orçamento de energia feito por humanos com o da evolução
  • definir e prever trocas com relação à biologia

materiais:

  • Cartas da casa (para cada grupo), fornecidas
  • Folheto de pássaros, fornecido

Normas:

  • CCSS.ELA-LITERACIA.RST.11-12.7Integrar e avaliar várias fontes de informação apresentadas em diversos formatos e mídias (por exemplo, dados quantitativos, vídeo, multimídia), a fim de abordar uma questão ou resolver um problema.
  • CCSS.ELA-LITERACIA.RST.11-12.9Sintetize informações de uma variedade de fontes (por exemplo, textos, experimentos, simulações) em um entendimento coerente de um processo, fenômeno ou conceito, resolvendo informações conflitantes quando possível.

Questões Guia:

  1. Como a energia desempenha um papel direto nos resultados evolutivos?
  2. Como podemos usar nosso entendimento de energia para prever trocas evolutivas na natureza?

    Procedimentos

    Nota: Esta lição pressupõe que os alunos já entendam o básico da seleção natural. Além disso, na primeira atividade, é usado o conceito de "energia incorporada", que você deverá explicar brevemente aos alunos. Este termo refere-se simplesmente à soma do custo total de energia de todos os processos necessários para produzir, transportar e montar os materiais de construção. Um recurso útil é a divertida palestra do TED de Catherine Mohr que inspirou parcialmente esta lição encontrada SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA. Você pode compartilhar esse vídeo com os alunos, mas faça isso depois que eles tiverem feito a atividade de construção para que eles possam descobrir as vantagens e desvantagens deles.

    Primeiro, você orientará os alunos a projetar suas próprias casas ecologicamente corretas. O objetivo é otimizar três parâmetros: energia incorporada, preço e isolamento. Os alunos têm opções para o que usar em sua fundação, paredes e coberturas. Por fim, eles descobrirão que a otimização de um parâmetro geralmente custa à custa de outro.

    Segundo, você apresentará o conceito de trocas evolutivas na tentativa de explicar por que os pássaros coloridos com comportamentos e decorações de corte elaborados são encontrados em climas tropicais e menos nos temperados. Os alunos serão orientados a entender os organismos como tendo um orçamento de energia, como na atividade da casa.

    Finalmente, os alunos aplicarão seus conhecimentos na tentativa de explicar outros fenômenos evolutivos usando a mesma estrutura.

    Baixar House Cards

    Baixar Folheto de Pássaro

  1. Hook: Atividade de construção de casa (~ 20 minutos)
  2. Diga aos alunos que são urbanistas, arquitetos ou magnatas do setor imobiliário que trabalham com o governo local para construir casas. O governo somente fornecerá financiamento se o projeto não tiver um impacto negativo no meio ambiente. Pergunte aos alunos quais problemas eles antecipam. Espere que eles apresentem o preço como uma das possíveis restrições. As restrições que essa atividade modela são preço, energia incorporada e isolamento. Você precisará definir a energia incorporada aqui (veja acima). Explique que o isolamento é uma consideração importante porque, depois que a casa é construída, a grande maioria da energia é gasta em aquecimento / resfriamento.

    Introduzir os alunos para as regras: eles devem escolher um material para a fundação, o telhado e as paredes. Existem cartões descrevendo os materiais e as pontuações.

    Os alunos são encarregados (em pares ou grupos de três) de construir uma casa. Cada cartão tem uma pontuação de 10 para cada um dos três parâmetros, sendo 10 a melhor pontuação possível. Sua tarefa é construir uma casa que tenha uma pontuação total de acima 15 para cada parâmetro (média acima 5 por componente da casa). Em outras palavras: para este cenário, se as pontuações incorporadas de energia, custo-efetividade e isolamento não forem tudo acima de 15, o governo não fornecerá financiamento e os alunos deverão voltar à prancheta.

    Nota: isso foi projetado para ser impossível. No máximo, os alunos podem otimizar apenas dois parâmetros ao custo do outro.

  3. Resumo da atividade da casa (~ 10 minutos)
  4. Depois que os alunos tiverem tempo suficiente para lidar com esse problema, peça-lhes que compartilhem quais foram suas sugestões da atividade: por que a atividade foi tão difícil (impossível)? O que isso mostra? Revele aos alunos que você estava ilustrando o conceito de um tradeoff. Pergunte-lhes: sabendo disso, o que você acha que é a definição de tradeoff? (Uma troca é um compromisso: obter um benefício específico tem um custo.)

    Pergunte (vire e fale antes de compartilhar): Aqui ilustramos que tipos de fatores constranger que tipos de casas podem ser construídas. Que restrições existem para uma coisa viva? (As respostas potenciais podem incluir: tempo, espaço, comida, energia.)

    Em seguida, faça esta pergunta (os alunos ainda não podem responder): Como as compensações nos ajudam a entender a seleção natural?

    Equívoco potencial a ser observado mais adiante na lição: os alunos tendem a pensar no nível organizacional e não na população. Portanto, embora um organismo individual possa gastar energia em uma coisa em detrimento de outra, essa NÃO é a escolha do organismo individual. Pelo contrário, os grupos de organismos que atingiram o compromisso fisiológico mais benéfico têm uma vantagem seletiva.

  5. O orçamento de energia de um pássaro (~ 20 minutos)
  6. Apresente aos alunos dois conjuntos de espécies de aves (folheto). Para cada ave, mostra seu habitat, dieta e comportamento de acasalamento. Usando o dispositivo de enquadramento de um “orçamento de energia”, peça aos alunos que primeiro determinem os padrões que percebem e depois identifiquem quaisquer trocas.

    Alguns padrões: organismos em ambientes frios gastam menos energia no namoro, organismos com alimentos de alta energia têm mais parceiros de acasalamento.

    As compensações energéticas inerentes têm a ver com entrada e saída de energia. Organismos em regiões frias com escassez de alimentos devem gastar energia para se aquecer e procurar / caçar. Isso tem o custo de procurar mais ou melhores parceiros. Reciprocamente, os organismos que vivem em ambientes quentes com alimentos de alta energia são favorecidos a gastar parte dessa energia na procura de um parceiro ideal. Observe que a amazon de frente branca não se encaixa perfeitamente no padrão. Tudo bem - este é um modelo excessivamente simplificado.

    Faça com que os grupos compartilhem e depois discutam. O que é uma troca evolutiva? Como é semelhante e diferente das vantagens e desvantagens na construção de uma casa?

    Uma troca evolutiva é aquela em que o mundo natural seleciona uma característica que confere uma vantagem de uma maneira, mas tem um custo. Indiscutivelmente, toda adaptação é uma troca.

    Aqui está um momento para esclarecer que, na atividade da casa, o tomador de decisão era o contratado, um humano. No caso de trocas de energia na evolução, o tomador de decisão é a seleção natural. Qualquer que seja o equilíbrio mais favorável, confere uma vantagem reprodutiva.

  7. Problemas de aplicativo (~ 30 minutos)
  8. Apresente aos alunos ou grupos de alunos esses problemas, variando em dificuldade, para ajudá-los a praticar o pensamento em termos de trocas evolutivas. As respostas são fornecidas abaixo de cada problema.

    1.) Peixe cego da caverna

    Pensa-se que o peixe da caverna mexicana tenha divergido de seu primo que vive na superfície há apenas um milhão de anos atrás, e ainda assim não tem olhos! O que pode explicar a perda de olhos (a chamada evolução regressiva) em um ambiente escuro? Certifique-se de explicar usando a linguagem da seleção natural, não a evolução lamarckiana!

    Os olhos custam extremamente energia, representando cerca de 15% do gasto energético de um peixe desse tamanho. Os olhos também são propensos a infecções. Se os olhos não estão fornecendo a vantagem da visão, essa energia será desperdiçada. Os peixes que devotavam sua energia a outras funções biológicas (como talvez a reprodução) tinham uma vantagem seletiva.

    2.) águia dourada

    As águias douradas são grandes aves predadoras. Eles comem principalmente peixes, répteis, esquilos e outros pequenos roedores. As águias douradas usam o “método da aderência sustentada” para matar presas: agarrando a presa e apertando com garras. Eles quase nunca comem presas grandes como cabras da montanha, mas quando o fazem, usam um método diferente: pegam as cabras e tentam fazê-las perder o equilíbrio, e caem do penhasco. A águia então voa para a base do penhasco para o seu banquete. Por que esse método é específico para as cabras e não é visto com cobras, que também vivem em habitats montanhosos?

    Este é um ótimo exemplo da "Teoria da forragem ideal", que propõe que a evolução seleciona o método que resulta no maior ganho líquido de energia: as calorias dos alimentos menos as calorias da energia gasta na obtenção desses alimentos. Deixar cair uma cabra produz uma grande quantidade de comida por um esforço relativamente pequeno. Por outro lado, voar para cima e para baixo de uma montanha é muita energia para gastar com uma cobra que poderia ser facilmente morta apenas com garras.

    3.) Alzheimer no Caribe

    Nas favelas do Brasil e de outros lugares, a água de baixa qualidade resulta em muitas crianças que morrem de complicações devido à diarréia. Essas crianças se deterioram devido à desidratação e / ou desnutrição. Na mesma população, uma mutação genética rara chamada APOE4 é muito mais comum quando comparada a qualquer outro lugar do mundo. Essa mutação aumenta a probabilidade de doença de Alzheimer mais tarde na vida. O que é uma possível explicação evolutiva?

    Foi demonstrado que o APOE4 previne problemas de desenvolvimento em crianças devido à desnutrição provocada por diarréia excessiva. Por que essa troca é favorável? A doença de Alzheimer afeta as pessoas normalmente após a reprodução. Portanto, em uma população em que as crianças morrem por esse tipo específico de desnutrição, a seleção natural favorece a sobrevivência das crianças até a idade reprodutiva à custa da demência mais tarde na vida.

    4.) gota de faia

    A gota de faia é uma planta e um parasita. Suga os nutrientes das raízes da faia para se sustentar. Podemos assumir com segurança que, como as gotas de faia são plantas, elas são descendentes de plantas com folhas verdes. Gotas de faia têm folhas escamosas sem clorofila. Certamente a fotossíntese permitiria uma fonte secundária de energia - por que a seleção natural teria favorecido a perda de folhas?

    Os parasitas devem se especializar para evitar as defesas de seus hospedeiros. Isso custa energia. No caso da queda da faia, elas crescem estruturas especializadas chamadas haustoria que podem penetrar nas paredes celulares das plantas. A fotossíntese não é uma atividade passiva - cultivar folhas funcionais com as estruturas especializadas necessárias e fazer com que a clorofila consuma nutrientes e energia consideráveis. As plantas competem pela luz solar. Especializar-se em parasitismo tem claramente uma vantagem seletiva sobre uma estratégia do tipo “tudo é possível”.

    5.) Envelhecimento

    Muitas evidências científicas apontam para a hipótese de que o envelhecimento (também chamado senescência) é programado em nossos genes, assim como uma peça de nova tecnologia como um iPhone tem "obsolescência planejada". Como isso é possível, dado o que você sabe sobre a seleção natural ?

    Isso é novamente uma troca de energia. A energia necessária para manter e reparar o corpo de um organismo tem o custo da energia gasta na reprodução. Não há vantagem seletiva em viver duas vezes mais, a menos que se reproduza mais que o dobro.

    6.) Aranhas macho-lobo

    A aranha-lobo macho corteja seu companheiro batendo furiosamente as pernas contra folhas secas. Estudos recentes mostraram que essa atividade tem um custo direto da função imunológica da aranha masculina. Por que isso ajuda a explicar por que a bateria é atraente para a aranha fêmea?

    Essa troca é precisamente o motivo pelo qual a bateria é chamada de “característica honesta”. Somente um homem verdadeiramente saudável pode se dar ao luxo de gastar energia nessa atividade de namoro. Portanto, um homem de bateria que não está doente está mostrando uma aptidão considerável.

  9. Conclusão
  10. Vemos que todos os sistemas - desde sistemas inanimados, como casas, até organismos naturais - operam em um sistema de compensações na busca da máxima eficiência. Que diferenças vemos na escolha humana em relação aos materiais de construção e ao processo natural de seleção natural? Pode-se dizer que é mais "racional" do que outro, ou são suas desvantagens para ambos?

Recursos adicionais

Viagens de campo: este conteúdo é inspirado no Laboratório da Cidade do Futuro galeria na principal exposição do Museu, Nova York no seu núcleo. Se possível, considere levar seus alunos em uma excursão! Visita http://mcny.org/education/field-trips para saber mais.

Agradecimentos

Esta série de planos de aula para Nova York no seu núcleo foi desenvolvido em conjunto com um grupo focal de professores de escolas públicas da cidade de Nova York: Joy Canning, Max Chomet, Vassili Frantzis, Jessica Lam, Patty Ng e Patricia Schultz.

Este projeto foi possibilitado em parte pelo Instituto de Serviços de Museus e Bibliotecas.

As opiniões, descobertas, conclusões ou recomendações expressas nessas lições não representam necessariamente as do Instituto de Serviços de Museus e Bibliotecas.