ΙΔΕΕΣ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΑΙ ΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ Η Φυσική Επιλογή είναι ο κύριος μηχανισμός της Εξέλιξης και η θεωρία της εξέλιξης έχει μεγάλη σημασία ως ενοποιητική θεωρία στη διδασκαλία της Βιολογίας, όπως αυτό έχει διατυπωθεί και από το National Research Council (1996). Παρόλα αυτά, η Φυσική Επιλογή κατανοείται με λανθασμένο τρόπο από πολλούς μαθητές και φοιτητές. Υπάρχει ένας μακρύς κατάλογος υποθεμάτων της Εξέλιξης και της ΦΕ που εξετάζονται από διάφορους ερευνητές. Τέτοια είναι: Η προσαρμογή και η αναπαραγωγή, Η Φυσική Επιλογή Η Ειδο-γένεση (Speciation) Η ύπαρξη πλατωνικών αντιλήψεων. Ένα αλλο ενδιαφέρον σημείο είναι το γεγονός πως υπάρχουν εναλλακτικές ιδέες σε όλα τα στρώματα του πληθυσμού, από τους μαθητές έως τους φοιτητές της Ιατρικής και τους υποψήφιους διδάκτορες των Φυσικών Επιστημών.

Οι ιδέες των μαθητών που υπάρχουν στη βιβλιογραφία μέχρι το 1988, αποτυπώνονται περιληπτικά στο βιβλίο της Driver «Οικο-δομώντας τις έννοιες των Φυσικών Επιστημών στο κεφάλαιο που αφορά στην αναπαραγωγή. Εκεί υπάρχουν 3 υποενότητες που ασχολούνται με την εξέλιξη και τη ΦΕ: Μία για τις πηγές της ποικιλομορφίας, Μία για την προσαρμογή και Μία για τις αλλαγές στην κληρονομικότητα.

Οι μαθητές αποδίδουν σταθερά την παρατηρίσημη ποικιλομορφία σε περιβαλλοντικούς και μόνο παράγοντες. Ενώ η πλειονότητα των μαθητών αγνοούν τη συμμετοχή των γονιδίων και των (τυχαίων) αλλαγών στην εμφανιζόμενη ποικιλότητα ενός πληθυσμού. Σε μελέτη με μαθητές των τελευταίων τάξεων του Λυκείου και σε φοιτητές Κολλεγίου, φάνηκε πως δεν κατανοείται η αλληλεπίδραση γονιδίων και περιβάλλοντος. Πηγές της Ποικιλομορφίας:

Οι περισσότεροι μαθητές φαίνεται να θεωρούν την προσαρμογή ως αλλαγή των ατόμων στο περιβάλλον, με σκοπό αυτά να επιβιώσουν. Πολύ χαρακτηριστική ιδέα των μαθητών είναι εκείνη στην οποία η προσαρμογή αντιμετωπίζεται ως μία τελ(ε)ολογική αντίδραση που ικανοποιεί τις ανάγκες του οργανισμού προκειμένου να εκπληρώσει κάποιες μελλοντικές απαιτήσεις. Οι μαθητές φαίνεται να συγχέουν την προσαρμογή ενός ατόμου κατά τη διάρκεια της ζωής του και τις κληρονομικές αλλαγές ενός πληθυσμού με το χρόνο. Τείνουν να πιστεύουν τη θεωρία του Lamarck για την κληρονομικότητα των επίκτητων χαρακτηριστικών. Προσαρμογή:

Σπάνια οι μαθητές εφαρμόζουν την έννοια της τυχαιότητας και της πιθανότητας στην κληρονομικότητα και την εξέλιξη. Ενώ, ακόμη και όταν την εφαρμόζουν σε παραδείγματα μεμονομένων ατόμων, δεν μπορούν να κάνουν το ίδιο με παραδείγματα καταστάσεων σε ανθρώπινους πληθυσμούς. Αλλαγές στην κληρονομικότητα:

Οι Anderson και συν. (2002) εισήγαγαν ένα ερωτηματολόγιο με το οποίο διερευνούνται οι ιδέες των μαθητών κ.α. σχετικό με την Εξέλιξη και τη Φυσική επιλογή. Το ερωτηματολόγιο που ονομάζεται Conceptual Inventory of Natural Selection (CINS) αποτελείται από 20 ερωτήσεις και στηρίζεται εν πολλοίς στο βαθμό που κατανοούν διάφορες πληθυσμιακές ομάδες 10 ιδέες για την εξέλιξη και τη ΦΕ, οι οποίες με τη σειρά τους στηρίζονται στα 5 γεγονότα και τα 3 συμπεράσματα που αναπαριστάνουν τη λογική της Φυσικής Επιλογής, όπως την διετύπωσε ο Mayr (1982). Φυσική επιλογή: Βασικές ιδέες

Γεγονός 1: Όλοι οι πληθυσμοί έχουν τη δυνατότητα να αυξηθούν με εκθετικό ρυθμό. Γεγονός 2: Οι περισσότεροι πληθυσμοί φθάνουν σε ένα ορισμένο μέγεθος, κατόπιν παραμένουν αρκετά σταθεροί με την πάροδο του χρόνου. Γεγονός 3: Οι φυσικοί πόροι είναι περιορισμένοι. Συμπέρασμα 1: Δεν επιζούν όλοι οι απόγονοι μέχρι την αναπαραγωγική ηλικία εν μέρει και λόγω του ανταγωνισμού για τους (διαθέσιμους) φυσικούς πόρους. Γεγονός 4: Τα άτομα σε έναν πληθυσμό δεν είναι ίδια, αλλά ποικίλλουν σε πολλά χαρακτηριστικά. Γεγονός 5: Πολλά από τα χαρακτηριστικά κληρονομούνται. Συμπέρασμα 2: Η επιβίωση δεν είναι τυχαία. Εκείνα τα άτομα που έχουν χαρακτηριστικά που τους παρέχουν κάποιο πλεονέκτημα ως προς τα υπόλοιπα σε εκείνη την ιδιαίτερη περιβαλλοντική κατάσταση θα επιζήσουν για να αναπαράξουν, ενώ τα υπόλοιπα θα πεθάνουν. Συμπέρασμα 3: Οι πληθυσμοί αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου καθώς η συχνότητα των αλληλόμορφων γονιδίων που έχουν κάποιο πλεονέκτημα αυξάνει. Τα άτομα με τα συγκεκριμένα αλληλόμορφα θα μπορούσαν να συσσωρευθούν με την πάροδο του χρόνου για να οδηγήσουν σε ειδο-γένεση. Τα 5 γεγονότα (οι αλήθειες) και τα 3 συμπεράσματα του Mayer πάνω στα οποία ο Anderson και οι συν. στήριξαν τις 20 ερωτήσεις τους

Δέκα κύριες ιδέες για την Εξέλιξη και τη ΦΕ Οι οργανισμοί παράγουν πιο πολλούς απογόνους απ΄ ότι που μπορούν να συντηρήσουν οι διαθέσιμοι πόροι (βιωτικό δυναμικό, ικανότητα μεταφοράς). Όλα τα μέλη ενός είδους ανταγωνίζονται μεταξύ τους για τους διαθέσιμους πόρους (περιορισμένοι πόροι, ανταγωνισμός) και μερικοί οργανισμοί δεν επιζούν (περιορισμένη επιβίωση). Οι οργανισμοί μέσα σε ένα είδος διαφέρουν οι μεν από τους δε στα κληρονομικά γνωρίσματα (γενετική ποικιλότητα).

Οι (παρ)αλλαγές προκύπτουν μέσω της μεταλλαγής και του γενετικού ανασυνδυασμού (προέλευση της ποικιλότητας). Η Μεταλλαγή και ο γενετικός ανασυνδυασμός είναι τυχαία γεγονότα που παράγουν ευεργετικά, ουδέτερα, ή επιβλαβή γνωρίσματα. Μεγάλο μέρος από την ποικιλότητα κληρονομείται με αποτέλεσμα οι γονείς να περνούν τα γνωρίσματά τους στους απογόνους τους. Μεταξύ αυτών των απογόνων, εκείνοι που είναι καλύτερα προσαρμοσμένοι (που ταιριάζουν καλύτερα) με το περιβάλλον τείνουν να είναι οι επιτυχέστεροι στην παραγωγή απογόνων (διαφορική επιβίωση, βιωσιμότητα, αναπαραγωγική επιτυχία). Οι απόγονοι που ταιριάζουν λιγότερο καλά με το περιβάλλον έχουν λιγότερες πιθανότητες να επιζήσουν, καθώς και, λιγότερες πιθανότητες να παραγάγουν απογόνους (ελλατωμένη προσαρμοστικότητα, ελλατωμένη αναπαραγωγική επιτυχία).

Μέσω της διαφοροποιημένης αναπαραγωγικής επιτυχίας, η συχνότητα των διαφορετικών γενετικών τύπων μέσα στον πληθυσμό μπορεί να αλλάξει με κάθε επόμενη γενεά (απόγονοι με τροποποίηση, εξέλιξη, αλλαγή στη δεξαμενή γονιδίων με την πάροδο του χρόνου, πληθυσμιακή αλλαγή). Η φυσική επιλογή είναι κατευθυνόμενη, καθοριζόμενη από τα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου περιβάλλοντος. Η δράση της φυσικής επιλογής στα κληρονομήσιμα γνωρίσματα είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός της εξέλιξης. Η δράση της φυσικής επιλογής στα μή κληρονομήσιμα γνωρίσματα έχει λίγη μακροπρόθεσμη επίδραση στην εξελικτική διαδικασία. Ούτε η αχρηστία ενός οργάνου ούτε η ανάγκη για κάποιο γνώρισμα καθορίζουν το γενετικό υπόβαθρο ενός οργανισμού. Ο πληθυσμός καθιστάται καλύτερα προσαρμοσμένος στο περιβάλλον μέσω της διάδοσης περισσότερων ταιριασμένων ατόμων (προσαρμογή). Οι πληθυσμοί αλλάζουν μέσω των αλλαγών στις συχνότητες των γενετικών τύπων μέσα στον πληθυσμό και όχι μέσω των αλλαγών στους επιμέρους οργανισμούς. Αυτό το σημείο συχνά διαφεύγει από τους σπουδαστές.

Όταν δύο πληθυσμοί ενός ενιαίου είδους χωρίζουν μεταξύ τους για μια εκτεταμένη χρονική περίοδο από κάποιο φυσικό, συμπεριφοριστικό, χρονικό, ή άλλο εμπόδιο, οι πληθυσμοί μπορεί να αποκλίνουν μεταξύ τους μέχρι το σημείο που να καταστούν χωριστά είδη (προέλευση των ειδών). Γενικά, μέλη διαφορετικών ειδών δεν μπορούν να ζευγαρώσουν και να αναπαραχθούν μεταξύ τους, αν και αυτό δεν ισχύει απαραιτήτως για είδη που έχουν στενή συγγένεια μεταξύ τους. Ειδογένεση

Αντικείμενο Εναλλακτικές Ιδέες 1) Βιωτικό δυναμικό 2) Πληθυσμιακή σταθερότητα 3) Φυσικοί πόροι 4) Περιορισμένη επιβίωση 5) Ποικιλότητα μέσα στον πληθυσμό α) Δεν αυξάνουν όλοι οι οργανισμοί με εκθετικό τρόπο. β) Οι οργανισμοί απλά αντικαθιστούν τον εαυτό τους. γ) Οι πληθυσμοί φτάνουν μέχρι ένα επίπεδο. α) Όλοι οι πληθυσμοί αυξάνουν σε μέγεθος με τον καιρό. β) Οι πληθυσμοί ελλατώνονται. γ) Οι πληθυσμοί πάντα αυξομειώνονται τυχαία. Οι οργανισμοί μπορούν πάντα να βρίσκουν τα προς το ζειν και να επιβιώνουν. α) Υπάρχει, συχνά, πάλη και αγώνας ανάμεσα στα άτομα του ίδιου ή διαφορετικών ειδών και τα πιο ισχυρά άτομα επικρατούν. β) Οι οργανισμοί συνεργάζονται μεταξύ τους και δεν ανταγωνίζονται. α) Όλα τα άτομα ενός πληθυσμού είναι σχεδόν πανομοιότυπα. β) Η παραλλαγές αφορούν μόνο εξωτερικά γνωρίσματα, δεν επηρεάζουν τη βιωσιμότητα. γ) Οι οργανισμοί που βρίσκονται μέσα σε ένα πληθυσμό δεν μοιράζονται κοινά γνωρίσματα με άλλους.

Αντικείμενο Εναλλακτικές Ιδέες 6 ) Κληρονόμιση της ποικιλότητας 7) Διαφορική επιβίωση α) Όταν ένας χαρακτήρας (όργανο) δεν είναι πλέον χρήσιμος για την επιβίωση, οι απόγονοι δεν τον κληρονομούν. β) Τα χαρακτηριστικά που αποκτούνται κατά τη διάρκεια της ζωής ενός οργανισμού κληρονομούνται στους απογόνους. γ) Τα χαρακτηριστικά που επηρεάζονται με θετικό τρόπο από το περιβάλλον θα κληρονομηθούν από τους απογόνους. α) Η προσαρμοστικότητα (fitness) ισοδυναμεί με δύναμη, ταχύτητα, εξυπνάδα ή μακροζωϊα. β) Οι οργανισμοί που έχουν πολλούς συντρόφους είναι βιολογικά πιο προσαρμοσμένοι.

Αντικείμενο Εναλλακτικές Ιδέες 8) Πληθυσμιακή αλλαγή 9) Προέλευση των ειδών 10) Προέλευση ποικιλομορφί ας α) Οι αλλαγές στον πληθυσμό απαντούν με τη σταδιακή αλλαγή σε όλα τα μέλη του πληθυσμού. β) Οι από μάθηση συμπεριφορές κληρονομούνται. γ) Οι μεταλλάξεις απαντούν για να ικανοποιήσουν τον πληθυσμό. α) Οι οργανισμοί μπορούν σκόπιμα να καταστούν νέα είδη (ένας οργανισμός προσπαθεί, επιθυμεί ή χρειάζεται να γίνει νέο είδος). β) Η ειδο-ποίηση είναι μία υποθετική ιδέα. α) Οι μεταλλάξεις είναι προσαρμοστικές αντίδράσεις προς ειδικούς παράγοντες του περιβάλλοντος. β) Οι μεταλλάξεις είναι σκόπιμες: ένας οργανισμός, προσπαθεί, επιθυμεί ή χρειάζεται να αλλάξει γενετικά.

Η εννοιολογική οικολογία, όπως έχει περιγραφεί από τους Demastes, Good, and Peebles (1995), εκτός από την αποδοχή, περιλαμβάνει επίσης τα εξής συστατικά: 1) τις προϋπάρχουσες αντιλήψεις οι οποίες σχετίζονται με την εξέλιξη – κατανόηση της εξελικτικής θεωρίας, 2) τον επιστημονικό προσανατολισμό (το βαθμό στον οποίο ο/η μαθητευόμενος/η οργανώνει τη ζωή του/της γύρω από επιστημονικές δραστηριότητες), 3) την άποψη για τη φύση της επιστήμης, 4) την άποψη για τον βιολογικό κόσμο με όρους ανταγωνισμού και αιτιακών σχέσεων και όχι με αισθητικούς όρους και 5) τον θρησκευτικό προσανατολισμό. Οι Deniz, H., Donnelly, L. & Yilmaz, I. (2008) προσδιορίζουν, από βιβλιογραφική επισκόπηση, τέσσερεις επιπλέον παράγοντες, οι οποίοι σχετίζονται εν δυνάμει με την εξελικτική θεωρία, αυτοί περιλαμβάνουν: 1) το επίπεδο συλλογισμού των εκπαιδευόμενων, 2) τις αντιλήψεις που σχετίζονται με τις επιπτώσεις της εξελικτικής θεωρίας, 3) τις επιστημολογικές πεποιθήσεις και 4) τις προδιαθέσεις της σκέψεις των εκπαιδευόμενων. Aποδοχή της εξελικτικής θεωρίας ως αναπόσπαστο τμήμα της εννοιολογικής οικολογίας της.