2013年4月21日

串連演化與分類的「建構演化樹」

生物課程的單元編排方式是有意義的,先講生殖和遺傳,接著到了演化,然後講分類。而演化和分類怎麼連在一起呢?因為分類架構必須要符合演化關係,所以我就可以用這個演化樹的活動串連起這兩個單元。


建構演化樹
我非常愛這個演化樹的活動,不過過去作的經驗讓我覺得實在太花時間了,所以後來我將這個活動的內容大幅刪減到剩下29隻小動物,而且我還把動物按照年代都排好了,這樣省去了排動物和剪貼的時間。學生拿到的就是這樣一張紙,假設這個動物叫做卡卡獸好了。(檔案在此

小卡演化樹01



學生要作的事情很簡單,就是要用型態特徵去找到各種動物的祖先和後代的關係,連好之後就會像下圖(標準答案)
  小卡演化樹02


思考的過程比結果重要
學生做好了之後,我就會發下標準答案,讓他們看看自己的和標準答案有什麼不同。不過這時候的重點不在於答對或答錯多少,而是引導思考的過程。

  • 你的演化樹和標準的一樣嗎?
  • 為什麼會一樣?為什麼不一樣?
  • 你發現什麼奇怪的地方嗎?
  • 你同意這個演化樹的畫法嗎?


光是用型態特徵來作演化樹的重建,不見得能畫出正確的樹。我們可以讓學生們彼此互相比較,他們會發現每個人看的點不同,就可能畫出不同的樹。科學家們在建構演化樹時,除了用型態特徵來分,還有什麼依據呢?而且有些特徵未必是祖徵,它有可能是趨同演化的結果。

接著用正確版的演化樹來討論
  • 你認為和12號親緣關係最近的是哪種現存的哪種動物?誰的親緣關係和大家最遠?
  • 這些動物當中有沒有哪一種是活化石?為什麼你覺得那是活化石?
  • 在你建立演化樹的過程中,有遇到哪些困難?為什麼科學家實際建立真實的演化樹時,也會遇到這樣的困難?(學生會說圖好小、看不仔細、許多特徵都好像。真實的科學研究,很多也就是這樣)

分類
接著根據建構出的親緣關係樹(演化樹)將這8種現存的卡卡獸進行分類?誰和誰同屬?誰和誰又是同一科,也請你為這些屬和科命名?

這裡可以引入「單系群」的概念,不過不太需要特別去提,因為這概念顯而易見。例如我問學生如果第2隻和第4隻被放在同一組裡,那麼還有哪隻應該被放進去。(這時候,我下圖是還沒畫上色框的)。或是問第2隻和第7隻放在同一組裡,還有哪些應該放在同一組。

根據單系群分類的概念,我們應該能分出藍色的那四個屬,只是最右邊那個屬是該獨立成一科還是併入左邊那一科,以目前的資料來看,這就不一定了。

以下圖我的分法,就是黃色大框是同一個目,裡頭分了兩個科(紅色),第一個科裡有三個屬(藍色),第二科裡則是單屬單種。以下圖這樣看屬、科、目的關係,你才有可能看仔細什麼叫做同屬比同科的親緣關係近嘛!


小卡演化樹03


命名
當已經為這些分類群命名之後,接著就可以作學名的命名了,虛擬故事是這樣的:
你是研究卡卡獸的分類學家,有天你在遠的要命王國裡面,發現了一隻新種的卡卡獸(編號16號)。因為你是首度發表的科學家,所以你擁有為牠命名的權力。本來命名應該用拉丁文來命名,但是情況緊急,所以你就改用英文來為牠命名,請根據學名的基本命名原則來為這隻新種的卡卡獸命名。請寫下這隻卡卡獸的學名,並說明你命名的依據。


有時間的話,不只可以命名一隻,還可以把現存的八種統統命名。在此我會介紹學名的規則,種小名可能用地名、人名或型態特徵。(我學生為了紀念我,還把其中一隻用我的名字命名哩)

製作圖鑑和檢索表
接著可以進行製作圖鑑的活動。你受政府之託為卡卡獸撰寫圖鑑,圖鑑的附錄需要附上一個檢索表,請幫這些卡卡獸作一個檢索表,好讓鄉親百姓們能夠用你的圖鑑來認識卡卡獸。


在圖鑑裡你還要寫出這動物的年代、提出可能的演化關係。而且還要有生態部份的描述,像是描述牠的生活習性,是水生還是陸生,是不是略食者呢?這時候的牠有沒有很多競爭壓力。(如果選用的動物是現生的那幾種,那就不用考慮年代的部份,但如果是古生物,你就要特別標示年代了)

除了上面講作圖鑑的以外,也可以讓學生針對某些年代的卡卡獸作海報,描述當時的氣候與地理環境,描述牠們之間的關係,食物鏈的關係。然後要說明如何發現這些現象(我發現...),會這樣推測的原因(為什麼我說...),比較這些卡卡獸的異同(牠們的差異是...)

而製作檢索表也未必要8種全分,也可以要求做出四個屬的檢索表就好了。之後再從完整版的動物中,挑選一隻未出現過的,讓學生用檢索表對出,它可能會被分類在哪一屬。


未知年代的挑戰
在這個活動中,還可以有番外篇,例如給予幾張地層圖,說在幾個已知的地層中找到化石了,可是其中一個地層中又發現了過去沒發現的化石物種A,你要從兩張地層圖中去對照出這個化石的生存年代在什麼時候?如果要更狠毒一點,還可以讓地層褶皺、翻轉。

學生程度高一點,還可以乾脆給放射性物質的殘存量,讓他們對照表格來推算這些化石是距今多少年的。

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有化石就能找到祖先關係嗎?
有虛擬的活動之後,我們也可以看看實際上科學家做了什麼?
以下這兩張都是Campbell Biology裡頭的圖,第一張是人的,第二張是馬的,其實這和我們一開始發下的卡卡獸的圖是一樣的,可以鑑定出生存年代,但是彼此之間的關係到底是什麼?科學家沒有正確答案,只有最佳答案,未來有新的證據出現後,就有可能推翻過去的說法。經由這個活動,我也要學生了解科學的探究過程是怎麼進行的。
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其他
關於建構演化樹,這有篇教案,是一個人傳一個人畫圖的

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