Future City Lab: Comprendre les compromis

Dites aux élèves qu'ils sont des urbanistes, des architectes ou des magnats de l'immobilier travaillant avec le gouvernement local pour construire des maisons. Le gouvernement n'accordera de financement que si le projet n'a pas d'impact négatif sur l'environnement. Demandez aux élèves quels problèmes ils anticipent. Attendez-vous à ce qu'ils proposent le prix comme l'une des contraintes potentielles. Les contraintes que cette activité modélise sont le prix, l'énergie intrinsèque et l'isolation. Vous devrez définir ici l'énergie incarnée (voir ci-dessus). Expliquez que l'isolation est un facteur important car après la construction de la maison, la grande majorité de l'énergie est consacrée au chauffage / refroidissement.

Initiez les élèves aux règles: ils doivent choisir un matériau chacun pour la fondation, le toit et les murs. Il y a des fiches décrivant le matériel et les partitions.

Les élèves sont chargés (par paires ou par groupes de trois) de construire une maison. Chaque carte a un score sur 10 pour chacun des trois paramètres, 10 étant le meilleur score possible. Leur tâche est de construire une maison qui a un score total de ci-dessus 15 pour chaque paramètre (moyenne ci-dessus 5 par composant de la maison). En d'autres termes: pour ce scénario, si les scores d'énergie intrinsèque, de rentabilité et d'isolation ne sont pas tous au-dessus de 15, le gouvernement ne fournira pas de financement et les étudiants doivent retourner à la planche à dessin.

Remarque: cela est conçu pour être impossible. Tout au plus, les étudiants ne peuvent optimiser que deux paramètres au détriment de l'autre.

Une fois que les élèves ont eu suffisamment de temps pour lutter contre ce problème, demandez-leur de partager leurs enseignements de l'activité: pourquoi l'activité a-t-elle été si difficile (impossible)? Qu'est-ce que cela montre? Révélez aux élèves que vous illustriez le concept d'un compromis entre. Demandez-leur: sachant cela, quelle est, selon vous, la définition d'un compromis? (Un compromis est un compromis: obtenir un avantage spécifique a un coût.)

Demandez (tournez-vous et parlez avant de partager): Ici, nous avons illustré quels types de facteurs contraindre quelles sortes de maisons peuvent être construites. Quelles contraintes existent pour un être vivant? (Les réponses potentielles peuvent inclure: le temps, l'espace, la nourriture, l'énergie.)

Posez ensuite cette question (les élèves peuvent ne pas être en mesure de répondre encore): Comment les compromis nous aident-ils à comprendre la sélection naturelle?

Idée fausse potentielle à surveiller plus tard dans la leçon: les élèves auront tendance à penser au niveau de l'organisme plutôt qu'au niveau de la population. Ainsi, alors qu'un organisme individuel peut dépenser de l'énergie pour une chose plutôt qu'une autre, ce n'est PAS le choix de l'organisme individuel. Les groupes d'organismes qui ont atteint le compromis physiologique le plus bénéfique ont plutôt un avantage sélectif.

Présentez aux élèves deux séries d'espèces d'oiseaux (document à distribuer). Pour chaque oiseau, il montre leur habitat, leur régime alimentaire et leur comportement d'accouplement. À l'aide du dispositif de cadrage d'un «budget énergétique», demandez aux élèves de déterminer d'abord les tendances qu'ils remarquent, puis d'identifier tout compromis.

Certains modèles: les organismes dans les environnements froids dépensent moins d'énergie pour la parade nuptiale, les organismes avec des aliments à haute énergie ont plus de partenaires d'accouplement.

Les compromis énergétiques inhérents ont à voir avec l'apport et la sortie d'énergie. Les organismes dans les régions froides avec une nourriture rare doivent dépenser de l'énergie pour rester au chaud et se nourrir / chasser. Cela se fait au prix de la recherche de partenaires plus nombreux ou meilleurs. Réciproquement, les organismes qui vivent dans des environnements chauds avec des aliments riches en énergie sont privilégiés à dépenser une partie de cette énergie pour trouver un partenaire idéal. Notez que l'amazone à front blanc ne correspond pas parfaitement au motif. Ça va, c'est un modèle trop simplifié.

Demandez aux groupes de partager, puis discutez. Qu'est-ce qu'un compromis évolutif? En quoi est-il similaire et différent des compromis lors de la construction d'une maison?

Un compromis évolutif est celui où le monde naturel sélectionne un trait qui confère un avantage d'une manière, mais a un coût. On peut soutenir que chaque adaptation est un compromis.

Voici un moment pour préciser que dans l'activité de la maison, le décideur était l'entrepreneur, un humain. Dans le cas des compromis énergétiques en évolution, le décideur est la sélection naturelle. L'équilibre le plus favorable confère un avantage reproductif.

Présenter aux élèves ou groupes d'élèves ces problèmes, de difficulté variable, pour les aider à pratiquer la pensée en termes de compromis évolutifs. Les réponses sont fournies sous chaque problème.

1.) Poisson des cavernes aveugles

On pense que le poisson des cavernes mexicain n'a divergé de son cousin vivant en surface qu'il y a environ un million d'années, et pourtant il n'a pas d'yeux du tout! Qu'est-ce qui peut expliquer la perte des yeux (évolution dite régressive) dans un environnement sombre? Assurez-vous d'expliquer en utilisant le langage de la sélection naturelle, pas l'évolution Lamarckienne!

Les yeux sont extrêmement coûteux en énergie, représentant environ 15% des dépenses énergétiques pour un poisson de cette taille. Les yeux sont également sujets à l'infection. Si les yeux n'offrent pas l'avantage de la vue, cette énergie va se perdre. Les poissons qui consacraient leur énergie à d'autres fonctions biologiques (comme peut-être la reproduction) avaient un avantage sélectif.

2.) Aigle royal

L'aigle royal est un grand oiseau prédateur. Ils mangent principalement du poisson, des reptiles, des écureuils et d'autres petits rongeurs. Les aigles royaux utilisent la «méthode de prise soutenue» pour tuer les proies: saisir les proies et les serrer avec des serres. Ils ne mangent presque jamais de grosses proies comme les chèvres de montagne, mais lorsqu'ils le font, ils utilisent une méthode différente: ils ramassent les chèvres et essaient de leur faire perdre l'équilibre, alors ils tombent de la falaise. L'aigle vole ensuite au pied de la falaise pour sa fête. Pourquoi cette méthode est-elle spécifique aux chèvres et non vue avec les serpents, qui vivent également dans les habitats montagneux?

Il s'agit d'un excellent exemple de la «Théorie optimale de la recherche de nourriture», qui propose que l'évolution sélectionne la méthode qui entraîne le gain net d'énergie le plus élevé: les calories des aliments moins les calories d'énergie dépensées pour obtenir ces aliments. Lâcher une chèvre rapporte une grande quantité de nourriture pour relativement peu d'effort. Inversement, voler de haut en bas d'une montagne est trop d'énergie à dépenser pour un serpent qui pourrait être facilement tué avec des serres seules.

3.) Alzheimer dans les Caraïbes

Dans les bidonvilles du Brésil et ailleurs, l'eau de mauvaise qualité fait de nombreux enfants mourir de complications dues à la diarrhée. Ces enfants se détériorent en raison de la déshydratation et / ou de la malnutrition. Dans la même population, une mutation génétique rare appelée APOE4 est beaucoup plus courante que partout ailleurs dans le monde. Cette mutation augmente la probabilité de maladie d'Alzheimer plus tard dans la vie. Qu'est-ce qu'une explication évolutive possible?

APOE4 s'est révélé efficace pour prévenir les problèmes de développement chez les enfants en raison de la malnutrition provoquée par une diarrhée excessive. Pourquoi ce compromis est-il favorable? La maladie d'Alzheimer affecte généralement les gens après leur reproduction. Par conséquent, dans une population où les enfants meurent de ce type spécifique de malnutrition, la sélection naturelle favorise la survie des enfants jusqu'à l'âge reproductif au prix de la démence plus tard dans la vie.

4.) Chute de hêtre

La goutte de hêtre est à la fois une plante et un parasite. Il aspire les nutriments des racines du hêtre pour se maintenir. Nous pouvons supposer en toute sécurité que puisque les gouttes de hêtre sont des plantes, elles descendent de plantes à feuilles vertes. Les gouttes de hêtre ont des feuilles squameuses sans chlorophylle. La photosynthèse permettrait sûrement une source d'énergie secondaire - pourquoi la sélection naturelle aurait-elle pu favoriser la perte des feuilles?

Les parasites doivent se spécialiser afin d'échapper aux défenses de leur hôte. Cela coûte de l'énergie. Dans le cas de la chute de hêtre, ils développent des structures spécialisées appelées haustoria qui peuvent pénétrer les parois cellulaires des plantes. La photosynthèse n'est pas une activité passive - la croissance de feuilles fonctionnelles avec les structures spécialisées requises et la fabrication de la chlorophylle nécessitent des nutriments et de l'énergie considérables. Les plantes se disputent le soleil. La spécialisation dans le parasitisme a clairement un avantage sélectif par rapport à une stratégie de «valorisation de tous les métiers».

5.) Vieillissement

De nombreuses preuves scientifiques suggèrent l'hypothèse que le vieillissement (également appelé sénescence) est programmé dans nos gènes, un peu comme une nouvelle technologie comme un iPhone a «l'obsolescence planifiée». Comment est-ce possible, étant donné ce que vous savez sur la sélection naturelle ?

Il s'agit là encore d'un compromis énergétique. L'énergie nécessaire pour entretenir et réparer le corps d'un organisme se fait au détriment de l'énergie dépensée pour la reproduction. Il n'y a aucun avantage sélectif à vivre deux fois plus longtemps, à moins que l'on ne reproduise également plus de deux fois plus.

6.) Araignées-loups mâles

L'araignée-loup mâle courtise son compagnon en battant furieusement ses pattes contre les feuilles sèches. Des études récentes ont montré que cette activité se fait au détriment de la fonction immunitaire de l'araignée mâle. Pourquoi cela pourrait-il expliquer pourquoi le tambour est attrayant pour l'araignée femelle?

Ce compromis est précisément la raison pour laquelle le tambour est appelé un «trait honnête». Seul un homme vraiment en bonne santé peut se permettre de dépenser de l'énergie pour cette activité de séduction. Par conséquent, un joueur de tambour qui n'est pas malade montre une forme physique considérable.

Nous voyons que tous les systèmes - des systèmes inanimés comme les maisons aux organismes naturels - fonctionnent dans un système de compromis dans la poursuite d'une efficacité maximale. Quelles différences voyons-nous dans le choix humain par rapport aux matériaux de construction et au processus naturel de sélection naturelle? Peut-on dire que l'un est plus «rationnel» qu'un autre, ou leurs inconvénients sont-ils les deux?