Еволюция на видовете

Този STEM проект е насочен към учители по биология в десети клас, които имат желание да изследват процесите на еволюцията заедно със своите ученици, като ги запознаят с биоинформационните методи за определяне на сходство между организмите и създаване на филогенетично дърво.

Как ще протече обучението?

1. Основни концепции: учениците се запознават с еволюционните принципи и процеси, изследват приликите между нуклеотидните последователности в ДНК и аминокиселинните последователности в белтъците, характерни за избрани животински видове.
2. Интерактивни учебни методи: проектът включва използването на уеб инструменти, образователни ресурси, дискусии и анализи, които създават ангажираща и мотивираща среда за учене.
3. Материали и ресурси: в хода на проекта учениците ще използват разнообразни материали и устройства – работни листове, база данни, дигитални устройства, онлайн ресурси и софтуер за анализиране на резултатите, които ще ангажират учениците в усвояването на учебния материал.

Задачи и дейности:

1. Въведение в темата: (работа в клас – един учебен час)

• Преговор (15 минути)
• Припомняне на същността и структурата на белтъчните молекули и ДНК-молекулите
• Създаване на мисловна карта за факторите, влияещи върху еволюционните процеси (20 минути)
• Проследяване на същността на еволюционните процеси. Защо организмите еволюират? 
• Запознаване с целите на проекта (10 минути)

2. Проучване на генотипа, фенотипа и характерното местообитание на конкретен биологичен вид (домашна работа)

3. Изготвяне на сравнителен анализ на нуклеотидни и аминокиселинни последователности в BLAST. Установяване на най-близкородствените животински организми (работа в клас – един учебен час)

4. Съпоставяне на фенотипа, генотипа и местообитанията на изследвания биологичен вид и неговите близки родственици (работа в клас – един учебен час)

5. Подготвяне на Powerpoint презентация, представяща сравнителен анализ на изследвания вид и неговите близки родственици (домашна работа)

6. Заключителна част (работа в клас – един учебен час)

• Представяне на Powerpoint презентациите, установените наблюдения и анализи (30 минути)
• Провеждане на дискусия за движещите фактори на еволюцията и значението ѝ за съществуването на живота на Земята (15 минути)

Знаете ли, че птиците всъщност са динозаври, а хората – маймуни, китовете са роднини на хипопотамите, а мамутите – на слоновете? Може би звучи налудничаво, но в действителност има множество доказателства за близките родствени връзки между тези животински видове. Едни от най-неоспоримите доказателства за това се крият в нуклеотидната последователност на ДНК и аминокиселинната последователност в белтъчните молекули в клетките на тези видове.

Как и защо едни животински видове еволюират в други? Как можем да използваме тази информация за решаването на актуални проблеми в селското стопанство, ландшафтната архитектура и облагородяването на градската среда?

Можете да намерите отговорите на тези и много други въпроси, ако изпробвате този увлекателен и интересен проект!

Същност на проекта

В този проект учениците изследват еволюционните процеси, като проучват родствените връзки между различни животински видове. За целта те използват прости биоинформационни инструменти – базата данни с геномни последователности GenBank и инструмента за търсене BLAST. С помощта на получените данни, учениците създават филогенетично дърво, отразяващо най-близките родствени връзки на изследваните видове.

За всички близкородствени организми се събира информация за техния генотип, фенотип, местообитание, начин на живот и хранене. На база събраната информация, учениците изготвят сравнителен анализ, отразяващ по какъв начин организмите са променили своя фенотип и поведение. Дефинират причините за тези промени или движещите фактори на еволюцията.

Учениците откриват значението на еволюционните процеси за живота на Земята, запознават се с професии, които използват познанията за еволюцията като отправна точка за решаване на съвременни проблеми в сферата на селското стопанство, ландшафтната архитектура и облагородяването на градската среда.

Цели по предметно знание

В работата по този проект са заложени следните учебни цели:

• описване на еволюционните механизми;
• назоваване на основните характеристики на белтъчните молекули и ДНК молекулите;
• дефиниране на следните термини и понятия – аминокиселини, нуклеотиди, геном, еволюция, еволюционни фактори, филогенетично дърво, биоинформатика, генно инженерство, мутация;
• посочване на основни еволюционни механизми;
• изчисляване на родственост между различни животински видове;
• откриване на зависимост между промените в условията на средата и еволюцията на организмите;
• анализ на данни.

Цели по ключови умения

• подобряване на критичното и аналитичното мислене на учениците чрез намиране на причинно-следствени връзки между еволюционните фактори и промяната на генома на организмите;
• развиване на предприемаческата компетентност чрез откриване на начини за използване на изследваните зависимости за решаване на съвременни проблеми;
• създаване на умения за продуктивна работа в екип.

Времетраене

Работата по проекта може да бъде осъществена в рамките на четири учебни часа.

Необходими материали

За този проект всяка от работните групи ще има нужда от следните материали:

• Компютър или мобилно устройство;
• Достъп до интернет;
• Работен лист за изследване на еволюцията.

Теоретична постановка

Как разбираме, че един организъм е произлязъл от друг? Достатъчно ли е да си приличат на външен вид, за да можем да ги съотнесем към една и съща класификационна единица? Ако разгледаме еволюцията на човека или слона, вероятно ще открием достатъчно прилики във фенотипа, които да приемем за родствени доказателства. При други видове, обаче, далеч не е толкова лесно да се проследят роднинските връзки. В първото издание на “Произхода на видовете”, Чарлз Дарвин прави предположението, че китовете са произлезли от мечки, а съвременни учени установяват, че птиците всъщност са динозаври.

Причината птиците да имат люспи на краката си е, че технически погледнато те са влечуги, а влечугите имат люспи. Колкото до перата им, те се произвеждат от тъкани, подобни на тези, които произвеждат люспи. Освен това птиците снасят яйца като другите влечуги. Не само, че птиците се считат за влечуги, но учените са съгласни, че птиците всъщност са динозаври. По-конкретно, птиците са членове на групата Maniraptora. Всички манираптори имат общи скелетни характеристики, включително костни структури в китката и предния крайник, които първо са били използвани за хващане, но са били модифицирани в крила по време на еволюцията на птиците. Maniraptora е групата на тероподните динозаври. Основните манирапторски групи включват: Aves (Птиците), Дромеозаври ( „грабливите птици“, включително велоцираптори), Троодонтиди (Нептичи динозаври, смятани от някои за особено интелигентни), Теризинозаври (растителноядни тероподи) и Овираптори. Важно е да се отбележи, че птиците не произлизат от велоцираптори или други манираптори. Всички те произлизат от общ прародител. 

Доказателствата, че птиците са динозаври, се основават на подробни изследвания на вкаменелости, както и на биологията на съвременните птици. Учените успяха да възстановят тъкан от вкаменелост на Тиранозавър рекс на възраст 68 милиона години. Те не само успяха да пречистят неминерализирана тъкан, но също така получиха частична информация за последователността на протеиновите молекули в тъканта на T. rex. Въпреки че получената последователност не е пълна, тя има достатъчно информация, за да позволи търсене в базите данни за аминокиселинни последователности.

Еволюционната история на китовете също е свързана със сериозни промени в устройството на организмите. Китовете произлизат от древни сухоземни бозайници, завърнали се в морето. Промяната в местообитанието е довела до постепенна промяна на крайниците в плавателни перки, а всички вътрешни органи са се адаптирали към живот във водна среда. Всъщност този процес е напълно противоположен на процеса на заселване на сушата преди милиони години, когато първите животински организми са излезли от Световния океан, адаптирайки се за живот на сушата.

В този проект за изследване на еволюционните процеси, учениците използват аминокиселинни и нуклеотидни последователности, за да търсят в базата данни най-близкородствените животински организми на тиранозавъра, мамута, кита и човека. За целта те се запознават с програмата BLAST. С помощта на програмата те търсят желаните видове/последователности в база данни с протеинови и нуклеотидни последователности. 

Ако два организма са произлезли от общ прародител, техните протеинови последователности ще бъдат сходни. Например гените на колагена в два вида, които са се разделили преди 1 милион години, ще имат по-малко разлики от два вида, които са се разделили преди 10 милиона години. Това е така, защото ДНК мутира с течение на времето. Ако скоростта, с която се натрупват мутациите, е постоянна, броят на мутациите е пропорционален на времето от разделянето на вида от неговия прародител. 

Мутациите, които се натрупват с течение на времето, се използват във филогенетичния анализ – изследването на еволюционните връзки между организмите. Мутациите играят роля във филогенетичния анализ, защото те са идеални „тагове“ за наследствени линии. Наличието на определена мутация в група животни е доказателство за общ прародител. Повечето мутации не се предават на следващите поколения, но някои стават често срещани в популацията. Въз основа на разликите в ДНК или протеиновите последователности, може да се създаде филогенетично дърво, което е дървовидна диаграма, показваща еволюционните връзки между различните биологични видове въз основа на приликите и разликите в техните генетични характеристики.

Подготовка

1. Преди да започнете с този проект е полезно да се запознаете с биоинформационните инструменти, които ще използвате.  

• Влезте в уебсайта на NCBI National Center for Biotechnology Information (nih.gov) или напишете BLAST в Google, за да отворите сайта на Националния информационен център по биотехнологии.

• Изберете BLAST инструмента от менюто вдясно.
• Изберете каква последователност ще изследвате – нуклеотидна или аминокиселинна.

• В полето за търсене се въвежда идентификационния номер на нуклеотидната/аминокиселинната последователност, която ще изследвате. Можете да ограничите изследването до определен брой нуклеотиди или аминокиселини, например от 1 до 50. По този начин системата ще сравнява само част от нуклеотидната или аминокиселинната последователност. 

• Уточнете в коя база данни да сравнява последователности системата. Можете също да изберете конкретна група организми, с която да сравнявате геномната информация. Например можете да сравните човешката ДНК само с групата на древните примати.

• Можете също да изключите дадена група организми от изследването. Например ако искате да разберете с какви други организми, освен с приматите, има родство човека, можете да изключите групата на приматите.

• Изберете с коя програма да се извърши сравняването на последователности. Ако сте избрали да сравнявате нуклеотидни последователности, изберете “Highly similar sequences (megablast)”, ако сте избрали да сравнявате аминокиселинни последователности, изберете “blastp (protein-protein BLAST)”

• Натиснете бутона BLAST, за да започнете търсенето. Ако желаете резултатите да бъдат показани в нов прозорец, трябва да поставите отметка в квадратчето вдясно. По този начин прозорецът със запитването за търсене остава отворен и можете да правите различни промени в зададените параметри. Така можете да направите сравнение на получените резултати, в зависимост от начина на подаване на запитването за търсене.

• Изчакайте резултатите да се заредят. Това може да отнеме малко време, но обикновено се случва в рамките на 1 минута. По време на търсенето ще виждате този прозорец, който може да се презареди автоматично няколко пъти преди да зареди резултатите от търсенето.

• Разгледайте получените резултати. Горе вляво може да видите основната информация за конкретното запитване. Вдясно има полета, които можете да използвате за филтриране на получените резултати. Можете да изключите дадена група организми от листа с резултатите, да въведете диапазон за процента на идентичност, допустимото отклонение или покритието на запитването. В таблицата отдолу са изредени откритите от програмата съвпадащи последователности. Всяка от тях има уникален номер, с който фигурира в базата данни. При натискане върху този номер се отваря нов прозорец с информация за пълната нуклеотидна или аминокиселинна последователност, както и информация за биологичния вид, от който е получена. При натискане върху някой от показателите, характеризиращи всяка от изследваните последователности, редовете в таблицата се подреждат в низходящ ред по отношение на избрания показател. Например при натискане върху колоната, касаеща процентът на идентичност, на първите редове се подреждат последователностите с най-голям процент на сходство. 

• С така получените резултати можете да създадете филогенетично дърво, като натиснете бутона “Distance tree of results”. То ще изглежда различно, в зависимост от резултатите от таблицата, които изберете да включите.

• Можете да разгледате графично получените данни от менюто “Graphic Summary”. Ще видите графика, която показва каква част от генетичната информация е изследвана, както и в каква степен съвпада с избраните последователности. При посочване върху цветните линии на графиката, можете да получите информация за биологичния вид, от който е получена дадената последователност.

• В менюто “Alignments” можете да откриете по-детайлно сравнение на генетичната информация.

• Последното меню “Taxonomy” съдържа информация за изследваните биологични видове и тяхната таксономична принадлежност.

Осигурете достъп на учениците до компютърната зала за часа, в който ще работите с биоинформационните инструменти.

Ангажиращо въведение

• Разгледайте същността и структурата на белтъчните молекули и ДНК-молекулите. От какво са изградени? По какво си приличат техните структури? Какви функции изпълняват в клетката?
• Създайте мисловна карта за факторите, влияещи върху еволюционните процеси. Какво представляват тези процеси и защо имат ключово значение за съществуването на живота на Земята?
• Разделете класа на четири работни групи и раздайте на всеки ученик по един работен лист за изследване на еволюционните процеси. В него всеки трябва да запише основните характеристики на белтъчните молекули и ДНК молекулите, както и да опише същността на еволюционните процеси и техните основни движещи механизми.
• Представете целите на настоящия STEM проект. За всяка работна група определете животински вид, чието генетично сходство да изследва. Информацията, предоставена в настоящия проект, се отнася за видовете: тиранозавър, мамут, човек и кит.
• Възложете като домашна работа на учениците да проучат животинския вид, който ще изследват – кога и къде е живял, какво е неговото местообитание, с какво се храни, какви са били климатичните условия, какви са характерните особености на начина му на живот.

Изпълнение

Изготвяне на сравнителен анализ на нуклеотидни и аминокиселинни последователности в BLAST

След като учениците се запознаят с целите и изискванията по проекта, те трябва да се запознаят с биоинформационните ресурси, които ще използват. За тази част от проекта те ще имат нужда от достъп до компютри и интернет.

• Покажете на учениците как да намерят програмата BLAST в Националния център за биотехнологична информация (NCBI). Учениците вече знаят какво представляват нуклеотидните и аминокиселинните последователности. Обяснете на класа как работи BLAST и каква информация можем да получим с нея.
• В зависимост от това дали ще изследват нуклеотидна или аминокиселинна верига, учениците от всяка група трябва да изберат съответната версия на BLAST.

• • учениците работещи с протеини от човек, син кит и тиранозавър трябва да изберат Protein BLAST;
  • учениците работещи с митохондриална ДНК от мамут трябва да изберат Nucleotide BLAST.

• След това учениците трябва да попълнят своите запитвания, на базата на които програмата ще търси сходни последователности. В полето за търсене се въвежда идентификационния номер на нуклеотидната/аминокиселинната последователност или самата последователност, която ще се изследва. Някои последователности са твърде дълги и системата няма да може да ги обработи, ако не бъдат ограничени.

• • Група “Тиранозавър” въвежда в полето за търсене следната частична  последователност на колагеновия протеин, заедно със заглавния ред:

>Tyrannosaurus rex, collagen type I, alpha 1 

-GATGAPGIAGAPGFPGARGAPGPQGPSGAPGPK-GVQGPPGPQGPR-GSAGPPGATGFPGAAGR-GVVGLPGQR-GLPGESGAVGPAGPPGSR-

Всяка от главните букви представлява аминокиселина в протеиновата последователност. На местата, където протеиновата последователност не е известна, има тире (–), обозначаващо липса на участък с неопределена дължина. Имайте предвид, че по-голямата част от протеина не е била успешно секвенирана, но като се има предвид, че тъканта е била на 68 милиона години, е забележително, че е получена някаква последователност. Протеиновата последователност е във формат FASTA, което означава, че последователностите са предшествани от заглавен ред, който започва с “>” и завършва с нов абзац. Форматът FASTA е стандартното форматиране, използвано от софтуера за биоинформатика. Тъй като наличната последователност е частична, тя няма нужда да бъде ограничавана до определен брой аминокиселини.

В падащото меню за база данни, учениците трябва да изберат протеиновата база данни „UniProtKB/Swiss-Prot(swissprot)“, а в полето за използван алгоритъм – blastp (протеин-протеин BLAST).

• • Група “Мамут” ще използва идентификационния номер MF770243.1 за търсене в базата данни. Този номер се записва в полето за търсене. Тази последователност съдържа 16 851 нуклеотида, което значително надхвърля лимита, който BLAST може да сравни. Затова в полетата в дясно трябва да се въведе ограничение в броя на изследваните нуклеотиди от 1 до 3000. В менюто за избор на база данни,  учениците от тази група трябва да отбележат “Standard databases (nr etc.)” и от падащото меню да изберат “Nucleotide collection (nr/nt)”. В полето за избор на програма се отбелязва mеgablast, която открива високо съвпадащи последователности. В полето за допълнителни изисквания към запитването “Entrez Query”, се записва думата “complete”, което ще ограничи запитването само до пълни последователности и ще изключи автоматично частичните.
  • Група “Човек” също използва идентификационен номер за търсенето. В случая този номер е YP_003024036 – пептидната верига на белтъка NADH-убихинон оксидоредуктаза верига 5 (ND5). Аминокиселинната последователност не е твърде голяма и няма нужда търсенето да бъде ограничавано. В менюто за избор на база данни, учениците от тази група трябва да отбележат “Standard databases (nr etc.)” и от падащото меню да изберат Reference proteins (refseq_protein)”. В полето за избор на алгоритъм се отбелязва blastp (протеин-протеин BLAST).
  • Група “Син кит” ще използва идентификационния номер NP_007058.1 – пептидната верига на белтъка “цитохром b”. Тук също няма нужда от ограничаване на търсенето. В менюто за избор на база данни, учениците от тази група трябва да отбележат “Standard databases (nr etc.)” и от падащото меню да изберат Reference proteins (refseq_protein)”. В полето за избор на алгоритъм се отбелязва blastp (протеин-протеин BLAST).

• След като всички работни групи са попълнили своите запитвания, учениците трябва да поставят отметка в квадратчето „покажи резултатите в нов прозорец“, за да могат на по-късен етап да експериментират с различни показатели на търсене.
• В менюто „Параметри на алгоритъма“ под бутона BLAST, в секцията „Общи параметри“, учениците могат да изберат максимален брой на показваните резултати. Това ще ограничи търсенето до най-близките 10/50 протеинови последователности и ще опрости създаването на филогенетично дърво в следващата стъпка.
• Търсенето се стартира с натискане на бутона BLAST.
• Прегледайте наличните раздели и обяснете на учениците каква информация могат да намерят в тях.
• Въз основа на получените резултати, учениците трябва да попълнят в работните си листове таблицата с данни, съдържаща научното име на организма, общоприетото име, максималния резултат, % идентичност и E стойността.
• След това учениците трябва да изработят филогенетично дърво. При избор на полето “Distance tree of results”, те могат да видят как видовете са еволюирали от поредица общи предшественици. Тези дървета са изключително полезни за разбирането на еволюционните връзки между организмите и тяхната обща история на развитие. За по-лесно разчитане на филогенетичното дърво, учениците трябва да сменят имената на етикетите от падащото меню “Sequence Label”, като изберат опцията Таксономично име.
• Въз основа на предоставената информация, учениците трябва да идентифицират родствените връзки между организмите  и да проследят еволюцията на изследваните видове.

Съпоставяне на фенотипа, генотипа и местообитанията на изследвания биологичен вид и неговите близки родственици.

• Учениците от всяка работна група трябва да изследват установените близкородствени видове – как изглеждат, какво е устройството на тялото им, кога и къде са живели, какво е тяхното местообитание, с какво се хранят, какви са климатичните условия в местообитанията им, какви са характерните особености в начина им на живот.
• След това екипите правят сравнителен анализ на изследваните показатели. Кои особености във фенотипа се различават и по какъв начин разликите са свързани с промените в начина на живот или климатичните условия?
• Установяват кои са основните еволюционни фактори, довели до промените в генотипа и фенотипа на изследваните видове.
• Поставете като домашна работа подготвяне на Powerpoint презентация, представяща сравнителен анализ на изследвания вид и неговите близки родственици.

Заключителна част

Всички работни групи представят пред класа своите презентации и сравнителни анализи. Обясняват какъв тип последователност са изследвали и кои видове са установили като най-близкородствени. 

• Анализирайте получените резултати от сравнителните анализи. По какъв начин организмите са променили своя фенотип и поведение с течение на времето? Дефинирайте причините за тези промени или движещите фактори на еволюцията.
• Дискутирайте какво е значението на еволюционните процеси за живота на Земята. Защо е необходимо организмите да еволюират?
• Обсъдете кои професии използват познанията за еволюцията като отправна точка за решаване на съвременни проблеми в сферата на селското стопанство, ландшафтната архитектура и облагородяването на градската среда.

Възможности за надграждане на проекта

• Направете таблица с данни за действителния брой промени между ДНК на изследвания вид и ДНК на установените близкородствени организми. Например данните могат да гласят: „Идентичности = 2941/3000 (98%), пропуски = 3/3000 (0%)“. Така има 59 промени (3000 – 2941). Използвайки приблизителното време, в което тези видове са се отделили едно от друго, и действителния брой разлики в ДНК, можете да оцените скоростта, с която митохондриалната ДНК мутира. 

Скорост на мутацията ~  брой на разликите в BLAST доклада/Брой на нуклеотидите × Брой на годините

• Модифицирайте филогенетичното дърво. Добавете снимки на животните към съответните клонове на филогенетичното дърво и периода на отделянето им един от друг. За целта можете да използвате безплатния web ресурс OneZoom Tree of Life Explorer.

В този интересен STEM проект учениците научават кои са някои от основните еволюционни механизми и значението им за оцеляването на видовете. В процеса на работата с биоинформационни инструменти те откриват по какъв начин получените данни могат да бъдат използвани за решаване на казуси, свързани с опазването и облагородяването на околната среда във връзка с повсеместното глобално затопляне и промени в климата.

За статията е използван следния ресурс, който е допълнен с личния опит на автора:

• BLAST into the Past to Identify T. Rex’s Closest Living Relative | Science Project (sciencebuddies.org)
• What is the Woolly Mammoth’s Closest Living Relative? | Science Project (sciencebuddies.org)
• Use DNA Sequencing to Trace the Blue Whale’s Evolutionary Tree | Science Project (sciencebuddies.org)
• Neanderthals, Orangutans, Lemurs, & You—It’s a Primate Family Reunion! | Science Project (sciencebuddies.org)
• OneZoom Tree of Life Explorer