Projekt Środowisko czyni zwierzę

Transkrypt

1 Projekt Środowisko czyni zwierzę

2 Barbara Pietrzak Wydział Biologii Uniwersytet Warszawski Jestem ekolożką, przekonaną, że we współczesnym świecie ekologia odgrywa ważną rolę jako nauka, mimo że często o tym zapominamy. Odkrywa przed nami nieraz zaskakujące powiązania w ekosystemach świata. Pomaga nam tym samym lepiej rozumieć konsekwencje naszych działań i znajdować rozwiązania problemów lokalnych i globalnych. Podczas zajęć, które prowadzę na Uniwersytecie Warszawskim, pokazuję studentom niektóre z tych powiązań, staram się zachęcać do stawiania pytań i podsuwać narzędzia do samodzielnego znajdowania odpowiedzi. O swoich badaniach opowiedziałam w trzy minuty w konkursie FameLab (link), przez trzy lata uczyłam biologii w międzynarodowym gimnazjum, prowadziłam też organizowane przez Wydział Biologii UW lekcje w szkołach oraz warsztaty biologiczne dla Krajowego Funduszu na rzecz Dzieci, popularyzuję wiedzę biologiczną podczas Festiwali Nauki, Nocy Biologów (link: i innych wydarzeń. Środowisko czyni zwierzę Projekt polecany uczniom z klas V i VI szkoły podstawowej. Miejsce działań szkoła oraz tereny wokół budynku szkoły Uczniowie w ramach tego projektu spróbują znaleźć odpowiedź na pytanie, w jaki sposób środowisko (np. obecność drapieżników) kształtuje zachowania zwierząt.

3 Na zdjęciach powyżej widać Daphnia. Rozwielitki są filtratorami: żywią się bakteriami, glonami i zawie siną orga niczną wych wy ty waną z wody. Zdjęcia z archiwum Zakładu Hydrobiologii UW. Moje badania Ważnym kierunkiem badań, które obecnie prowadzę, jest wyjaśnienie, w jaki sposób kształtują się indywidualne różnice w zachowaniu zwierząt (badania finansowane przez grant Narodowego Centrum Nauki /23/D/NZ8/01736). Od dawna obserwuje się, że osobniki w populacjach różnią się między sobą zachowaniem. Jedne konsekwentnie podejmują ryzyko, podczas gdy inne trzymają się blisko kryjówek. Zaskakująco mało wiemy, jak kształtują się te różnice. W jakim stopniu ewolucja, zapisana w genach, determinuje zachowanie? Jaką rolę odgrywa informacja przekazana od rodziców? Na ile późniejsze zachowania kształtowane są przez wczesne doświadczenia zwierzęcia? W swoich badaniach przyglądam się zwierzętom z trzech gatunków. Wraz z grupą współpracowników i studentów badamy trwałość zachowań w trakcie rozwoju u żaby moczarowej testując śmiałość osobników w stadium kijanki i później, u dorosłych żab. Sprawdzamy też, czy larwy wodzienia (owada), które są śmiałe, przeobrażają się w równie śmiałe poczwarki, a potem w śmiałe dorosłe osobniki. Testujemy, jak informacja o zagrożeniu wpływa na tę zależność. Wreszcie, jako jedni z pierwszych w tym temacie, przyglądamy się osobowościom u zwierząt klonalnych, rozmnażających się partenogenetycznie. Prowadzimy eksperymenty z użyciem drobnych skorupiaków planktonowych z rodzaju Daphnia, by odpowiedzieć na szereg postawionych tutaj pytań. Podejmujemy ten temat, ponieważ konsekwencje zróżnicowania osobowości zwierząt są widoczne na wyższych poziomach organizacji życia. To osobniki i ich indywidualności kształtują rzeczywistość biologiczną. Śmiałe rozwielitki podpływają do powierzchni bliżej niż te nieśmiałe. Może się okazać, że jedne i drugie są zjadane przez różne ryby, a to będzie znaczyło, że należą do różnych łańcuchów pokarmowych i znajdują się w różnych miejscach sieci troficznej. Znając zasięgi pojedynczych żab w populacjach i ich indywidualne preferencje pokarmowe, możemy lepiej planować ochronę tego gatunku. Wreszcie, skoro nauka przyznaje, że każda rozwielitka, każda żaba jest inna, możemy uznać to za wsparcie w naszych dążeniach do objęcia nas, ludzi, prawdziwie zindywidualizowaną opieką, między innymi medyczną. Może to też przynieść zmianę naszego stosunku do zwierząt w ogóle, na czym bardzo mi zależy. Partenogeneza (inaczej dzieworództwo) to odmiana rozmnażania, w którym z niezapłodnionego jaja (komórki jajowej) rozwija się dorosły osobnik. Partenogenezę spotyka się m.in. u owadów (mszyce), skorupiaków (rozwielitki), ryb, płazów, gadów. Partenogeneza może być traktowana jako cecha przystosowawcza.

4 Nasz wspólny projekt W każdej grupie zwierząt osobniki różnią się między sobą czy to wyglądem, czy też zachowaniem. Jedne stale ryzykują życiem, by zdobyć pożywienie, inne pozostają w ukryciu mimo głodu. Jedne stale są ruchliwe, inne zdają się ospałe. Część z tych różnic zapisana jest w genach, a część wynika z wcześniejszych doświadczeń osobników przebytych w trakcie rozwoju głodu, chłodu, choroby czy zagrożenia. Wszystkie takie czynniki mogą trwale kształtować zachowania zwierząt w ich dorosłym życiu. Wagę tych różnic dla ewolucji gatunku, dla funkcjonowania całego zespołu organizmów, który zwierzęta współtworzą, nauka wciąż poznaje. Najmniej chyba rozpoznane jest to, jak różnice się kształtują w trakcie życia zwierzęcia. Podstawowym celem badawczym naszego projektu jest odpowiedzenie na pytanie, w jaki sposób środowisko kształtuje zachowania zwierząt. Zwierzętami, którym się przyjrzycie, są rozwielitki Daphnia maleńkie, choć dobrze widoczne gołym okiem, niemal przezroczyste skorupiaki. Żyją w jeziorach, starorzeczach, śródpolnych zbiornikach wodnych i śródmiejskich sadzawkach. Odżywiają się, odfiltrowując z wody jednokomórkowe glony jeśli woda jest przejrzysta, to najpewniej dzięki rozwielitkom. Same są podstawowym pokarmem dla wielu ryb i dlatego, jako ogniwo łączące glony, czyli producentów, z konsumentami wyższych rzędów, są ważnym elementem ekosystemów, w których żyją. Są też wdzięcznym obiektem badań łatwym w hodowli. Ponieważ są przezroczyste, to dobrze widać wypełniony glonami przewód pokarmowy i jaja w komorze lęgowej samicy, a pod binokularem bijące serce, ruch oka i odnóży filtrujących wodę. Zwykle rozmnażają się partenogenetycznie bez udziału samców, samice rodzą genetycznie identyczne córki. Badając osobniki pochodzące od jednej samicy, z jednego klonu, możemy założyć, że obserwowane różnice między osobnikami są wynikiem różnic środowiskowych a nie genetycznych. Rozwielitki (Dahnia) to rodzaj słodkowodnych stawonogów zaliczanych do grupy wioślarek (grupa drobnych, głównie słodkowodnych skorupiaków). Mają dwie pary czułków: pierwsza pełni rolę narządu czuciowego, druga stanowi główny narząd ruchu (rozwielitki poruszają się skokami) oraz pięć par odnóży tułowiowych, pełniących funkcje filtracyjne. Rozmiary ich ciała wahają się od 1 do 6 mm, samce są znacznie mniejsze od samic. Żywią się glonami, bakteriami i zawiesiną organiczną, którą odfiltrowują z wody. Mają nieduży, ale dobrze upakowany genom, a w nim więcej genów niż ma człowiek. Kiedy warunki środowiska pogarszają się (np. jesienią, gdy robi się zimno i brakuje pokarmu), samice zaczynają dodatkowo rodzić samców, którzy zapłodnią jaja przetrwalne. Zamknięte w ochronnej kapsule jaja potrafią przetrwać nawet setki lat. Dla rozwielitek, tak jak dla innych zwierząt, kluczowe jest rozmnożenie się zanim dopadnie je drapieżnik. Dlatego też zbadacie, jak doświadczenie obecności zagrożenia (w postaci drapieżnika lub tylko jego zapachu) wpływa na późniejszą śmiałość i aktywność poszczególnych osobników. Możecie też przyjrzeć się wpływowi innych czynników. Sfilmujecie zachowania i zanalizujecie nagrania, ale najpierw, przyjrzycie się rozwielitkom oraz ich współmieszkańcom w zbiorniku i razem zastanowimy się, co w trawie piszczy Przebieg działań Przygotowanie 1 1 Połowy 2 Obserwacja 5 3 Stawianie pytań Planowanie Eksperyment 5 Ekspozycja 6 Test Analiza Prezentacja

5 Przygotowanie 1. Połowy Ten etap to pojedyncza wyprawa, najlepiej odbyta jak najwcześniej póki jest dobra pogoda i póki zwierzęta są aktywne. W tym etapie może towarzyszyć Wam jedna z doktorantek Zakładu Hydrobiologii UW. W okolicy szkoły znajdziecie zbiornik wodny może to będzie jezioro, parkowy staw albo pozostałości starorzecza i wybierzecie się tam z zestawem pomiarowym, wiadrem, asarkami (siatkami jak na motyle) i kuwetą. Z pomocą zestawu Woda wykonacie pomiary temperatury, zasolenia i innych parametrów wody. Złowicie drobne zwierzęta bezkręgowe mogą kryć się w przybrzeżnej roślinności, w osadach dna lub w toni wodnej przy brzegu. Umieścicie je w wodzie w kuwetach na brzegu i pochylicie się nad nimi, próbując rozpoznać, kim są. Na podstawie oznaczeń znalezionych zwierząt wykonacie proste badanie dotyczące różnorodności biologicznej sąsiadującego ze szkołą zbiornika. Jeśli znajdziecie wśród nich rozwielitki świetnie! Zabierzecie ich kilka lub kilkanaście w zakręcanych pojemnikach z wodą do szkoły i rozpoczniecie hodowlę w dużych słojach na parapecie. Będziecie je karmić drożdżami lub trzymanymi w lodówce zawiesinami glonów przywiezionymi z uniwersytetu. Jeśli nie znajdziecie w zbiorniku rozwielitek, przywiozę Wam paręnaście samic z jednego ze szczepów mówimy na nie klony z naszego laboratorium. Hodowla będzie wymagała rozpisania dyżurów, ponieważ dobrze, żeby zwierzęta były karmione codziennie, z wyjątkiem weekendów. 2. Obserwacja Hodowla i wstępne obserwacje zachowań rozwielitek to ważny etap, który z jednej strony uczy odpowiedzialności za wspólną hodowlę, z drugiej strony inspiruje i rozbudza ciekawość. Samo karmienie podczas dyżuru będzie trwało chwilę, ale wykorzystajcie ten czas też do przeprowadzania wstępnych obserwacji. Rozwielitki hodowane w słoikach na parapecie można obserwować gołym okiem! Uczniowie będą wykonywać te obserwacje indywidualnie, w ciągu dnia podczas przerwy, na początku przez minutę. Gdy dzieci się oswoją na początku może się wydawać, że w słoju nic się nie dzieje, a taka obserwacja wymaga skupienia czas obserwacji stopniowo wydłużycie. Potem dołożycie robienie notatek. Wreszcie etap zakończy się przygotowaniem przez uczniów pisemnego opisu zachowania zwierząt zwrócicie uwagę na różnice między obiektywnym zapisem obserwacji a interpretacją oraz przygotowaniem zwierząt do eksperymentów. 3. Stawianie pytań Uczniowie w grupach podzielą się swoimi obserwacjami. Postawią pierwsze pytania. Wtedy Was odwiedzę i opowiem trochę o pełnym wyzwań życiu Daphnia. Później, znowu w grupach, sformułujecie pytania o zachowania rozwielitek o ich zróżnicowanie, czynniki wpływające na nie, przyczyny takich lub innych reakcji. W domu zastanowicie się nad możliwymi odpowiedziami. 4. Planowanie W grupach uczniowie podzielą się swoimi pomysłami. Z moją pomocą sformułują przypuszczalne odpowiedzi w taki sposób, by stały się możliwymi do przetestowania hipotezami. Zapiszemy te, które będziemy weryfikować w eksperymencie, np. rozwielitki, które jako młode miały kontakt z drapieżnikiem, będą w dorosłym życiu mniej śmiałe od rozwielitek, które tego kontaktu nie miały. Albo odwrotnie? Wtedy trzeba się będzie zastanowić, jak to sprawdzić. Może część rozwielitek trzeba hodować w wodzie, w której była wcześniej ryba, a część w wodzie nie skażonej zapachem ryby? A potem porównać ich skłonność do opuszczania kryjówki? Co tak naprawdę trzeba będzie zmierzyć, żeby to określić? Jakie sprzęty będą potrzebne do przeprowadzenia takich badań?

6 Eksperyment 5. Ekspozycja W pierwszym etapie realizacji badań, młode rozwielitki będą eksponowane na wybrany czynnik środowiskowy lub będą pozostawione w warunkach kontrolnych. Proponuję, żeby czynnikiem środowiskowym było zagrożenie drapieżnictwem, które może zostać zasymulowane np. przez użycie wody po trzymaniu w niej ryby, najlepiej karasia (Carassius auratus, złotej rybki ). Możecie też ze mną skonsultować wykorzystanie innej ryby, jeśli ktoś z Was będzie mógł na tydzień inną udostępnić. Innym drapieżnikiem może być wspomniany już wodzień przezroczystych larw potrzebnych będzie kilkaset, może będą w eksplorowanym przez Was zbiorniku. Z kolei innym badanym czynnikiem środowiskowym może być ograniczenie ilości dostępnego pokarmu. Jeśli zdecydujecie się na tę opcję, kluczowe będzie precyzyjne odmierzanie pokarmu będziemy musieli tak dobrać dawkę, by zwierzęta doświadczyły umiarkowanego, ale nie skrajnego głodu. Proponuję też użyć zestawu Woda do kontroli temperatury i zasolenia. Uczniowie wybiorą pipetkami z hodowli najmłodsze rozwielitki, które rozłożą pojedynczo do małych szklanek. Każdy uczeń będzie mógł zaopiekować się jednym osobnikiem. Losowo wybierzemy, które osobniki będą eksponowane, a które posłużą jako kontrolne. Ten etap będzie trwał tydzień i będzie wymagał dyżurów i codziennej wymiany wody, poza weekendami. Kontrolne osobniki muszą być traktowane tak samo, tylko będą dostawały wodę bez zapachu drapieżcy lub większą porcję pokarmu. 6. Test W drugim etapie badań będziecie rejestrować zachowanie w różnych okresach życia pojedynczych osobników ( doświadczonych i naiwnych ). Proponuję użyć przezroczystych, plastikowych, płytkich pojemników, kuwet lub płytek laboratoryjnych podświetlonych od dołu umieszczonych na przezroczystym plastikowym pojemniku stojącym na parapecie do góry dnem i z leżącym pod nim pochyło lustrem. Na statywie umieścicie kamerę (lub telefon z opcją nagrywania) i będziecie filmować Ważne jest, żeby przez kilka dni eksponowane osobniki dostawały świeży sygnał o obecności drapieżnika (aktywne substancje chemiczne rozkładają się przed upływem doby) lub właściwą ilość świeżego pokarmu, bez ewentualnych resztek z wczoraj. zachowania zwierząt. Część rozwielitek będzie w wodzie z zapachem drapieżnika. Zwierzęta mogą być nagrywane od kilku minut do godziny ustalimy to. Uczniowie od tego etapu będą pracować w zespołach, a każdy zespół przeprowadzi niezależny test behawioru obejmujący wszystkie zabiegi. To bardziej fizjologia niż behawior, ale możecie też przyjrzeć się tętnu bicia serca w wodzie z zapachem drapieżnika i bez. Daphnia są przezroczyste, więc jeśli użyjecie binokularu i stopera, możecie zliczać uderzenia serca osobnika umieszczonego na wklęsłym szkiełku w kropli wody. 7. Analiza Uczniowie w zespołach zanalizują położenie zwierząt na wybranych klatkach swoich nagrań. Można to zrobić odręcznie, z linijką przy ekranie, ale proponuję użyć darmowego oprogramowania, np. ImageJ łatwiej będzie uzyskać gotowe dane, np. średnią prędkość rozwielitki, przebytą przez nią drogę, miejsce przebywania itp. Na tej podstawie uczniowie wykonają wykresy. Porównacie rozwielitki między grupami i przyjrzycie się międzyosobniczym różnicom w obrębie grup. 8. Prezentacja W zespołach uczniowie przygotują plakaty prezentujące badania: cel, metodę, wyniki. Przyjrzymy się im razem, przedyskutujemy otrzymane wyniki i sformułujemy wnioski.

7 Potrzebne materiały Miejsce sala z oknami i wolną przestrzenią na parapetach dostęp do lodówki przechowywanie drożdży lub glonów dostęp do sali z komputerami (w końcowej części projektu) Zwierzęta rozwielitki (złowione, a jeśli to się nie uda zostaną dostarczone przez naukowca)* ryba (np. karaś, mogą być też drapieżniki bezkręgowe, np. larwy wodzienia) rybę można zakupić (trzeba jej znaleźć dożywotniego opiekuna) bądź pożyczyć z czyjegoś akwarium Materiały wiadra z pokrywką (do nalewania wody ze zbiornika, potem do uzdatniania* wody) plastikowe dzbanki (1-3 l, do przelewania wody, przydadzą się na każdym etapie) kasarki (rodzaj sieci do połowu bezkręgowców wodnych) kuwety białe duże (min. 30 x 40 cm) uproszczone klucze do oznaczania bezkręgowców wodnych (dostarczy naukowiec) plastikowe zakręcane pojemniki (100 ml moczówki albo większe) duże słoje do hodowli (1-3 l) glon (naukowiec może dostarczyć z uniwersytetu) lub drożdże piekarskie * jeśli hodowla zwierząt przypadnie na przerwy świąteczne lub ferie ochotnicy opiekują się hodowlą np. w domu pipetki plastikowe (do przekładania pojedynczych rozwielitek) sitka kuchenne (do odcedzania rozwielitek przy zmianie wody) napowietrzacze akwariowe z wężykami i kamieniami (pomagają w uzdatnianiu wody) plastikowy pojemnik 5-10 l (do eksponowania ryby i odbierania pachnącej nią wody) szklanki (najlepiej 100 ml, tzw. literatki) płytki laboratoryjne lub przezroczyste pojemniki (jako areny eksperymentalne do testów) plastikowe pojemniki przezroczyste (do umieszczenia na nich płytek podczas nagrania) lustro, mieszczące się w pojemniku (do odbicia padającego z okna światła do góry) czarna tektura (potrzebna podczas nagrania, do osłonięcia z boków pojemników ze zwierzętami) taśma klejąca kamera ze statywem (lub telefon komórkowy z kamerką) markery (do opisywania naczyń ze zwierzętami) szkiełko wklęsłe np. zegarkowe (do obserwacji rozwielitki pod binokularem) ewentualnie stoper (może być w telefonie) ewentualnie nieduże akwarium z osprzętem, jeśli klasa zdecyduje się hodować rybę po eksperymencie Sprzęt na wyposażeniu szkoły: zestaw edukacyjny Woda ewentualnie binokular (do obserwacji tempa bicia serca) kabel lub karta SD do zgrania filmów komputery z dostępem do Internetu rzutnik, ekran program do analizy obrazu, program ImageJ bezpłatny (imagej.nih.gov) * woda nie może być prosto z kranu ani z bajora, powinna przynajmniej postać dobę z boku napowietrzając się

8 Podsumowanie Projekt ma na celu zachęcić uczniów do przyjrzenia się indywidualnym różnicom w zachowaniach zwierząt i odpowiedzenia na pytanie, skąd się te różnice biorą poprzez przygotowanie i przeprowadzanie eksperymentów w zespołach badawczych. Motywacja To osobniki i ich indywidualności kształtują rzeczywistość biologiczną. Zrozumienie, jak kształtują się międzyosobnicze różnice, prowadzi nas do lepszego zrozumienia tego, jak funkcjonują sieci troficzne i całe ekosystemy. Proponowana metoda pracy zapoznaje uczniów nie tylko z omawianym problemem biologicznym, ale i z metodą naukową w praktyce. Podczas realizacji projektu uczniowie: poznają podstawy biologii i ekologii badanego organizmu i zrozumieją jego rolę w ekosystemie zrozumieją potrzebę prowadzenia badań opartych na obserwacji i doświadczeniu poznają podstawy metody naukowej i będą potrafili ją zastosować w praktyce postawią pytania i sformułują hipotezy badawcze oraz poszukają sposobów ich przetestowania będą współpracowali w zespole w celu zrealizowania zadania badawczego rozwiną wrażliwość na los zwierząt i dbałość o ich bezpieczeństwo, postępując z nimi humanitarnie i instruując innych w tym zakresie. Na zdjęciu widać pojemniki z rozwielitkami. Zdjęcie z archiwum Zakładu Hydrobiologii UW.

9