Gjenskap Darwins eksperimenter i hagen din

Følgende er et utdrag fra Darwins bakgård av James T. Costa.

I. Synke eller svømme: Frø i en sylteagurk

Darwins 'frøsalting'-eksperimenter var rettet mot å bestemme, for det første, hvor lenge frø kan beholde sin vitalitet etter eksponering for saltvann, og for det andre, hvor lenge de kan flyte versus synke i saltvann. Han utførte flere versjoner av dette eksperimentet ved å bruke frø fra mange arter, inkludert hagegrønnsaker, vanlige ugress og tropiske planter.

A. Materialer

Saltvann: tilbered hvor som helst fra 1 til 10 gallons (3,8 til 38 liter) saltvann, avhengig av omfanget av eksperimentet. Vi er interessert i å tilnærme sjøvann. Som Darwin kan du enkelt lage kunstig sjøvann med kommersielt tilgjengelige salt- og mineralpreparater. Du kan kjøpe saltblandingen din fra en av de mange forhandlerne av akvarieforsyninger på nett (Instant Ocean® og Natural Sea Aquarium Salt Mix fra Oceanic Systems, Inc. er rimeligere merker), eller fra en lokal dyrebutikk eller akvariebutikk. Eller lag din egen med denne oppskriften:

I hver 3 gallon (11,4 liter) ferskvann, løs opp:

• 10^1⁄2unser (298 gram) rent (ikke iodisert) bordsalt
• 1^1⁄2unser (43 gram) magnesiumklorid
• 1 unse (28 gram) Epsom-salter
• ^1⁄2unse (14 gram) gips av Paris

Kjemiske og mineralske blandinger som disse gir ferskvann alle kvalitetene til sjøvann, noe som gjør det egnet for livet i havet. Hvis du skulle sette opp et saltvannsakvarium for å støtte fisk, ville vi måtte ta hensyn til saltholdighet og kvaliteten på ferskvannet som brukes. Siden vi bare flyter frø i saltvannet vårt, er det ingen grunn til å bekymre seg for det. Forresten, selv om du bor nær havet er det fortsatt å foretrekke å bruke kunstig saltvann, da havvannet er fullt av alger og andre mikroorganismer som vil dø og forfalle og tilsmusse vannet.

B. Andre materialer

• Notatbok og blyant
• Frø av minst seks arter (f.eks. diverse grønnsaks- og villblomstfrøpakker)
• 500 ml (17 fl. oz.) begre eller kolber (eller til og med murglass), ett for hver planteart. Bunnen av en 1- eller 2-liters (1- til 2-quart) drikkeflaske vil også fungere.
• Pipette eller kalkunbaster
• Skje
• Pinsett eller pinsett
• Plastfolie
• Merketape og markør
• Pottejord
• For frøplanting: Petriskåler eller lignende kamre, eller en eller flere spireflater (ideelt sett delt inn i individuelle planteenheter) eller papirkopper, med pottejord

Få boken

Darwins bakgård: Hvordan små eksperimenter førte til en stor teori

1. Forbered saltvannet i en akvarietank, carboy eller stor ask, avhengig av volum, og oppbevar i romtemperatur. Mål 300 ml (10 fl. oz.) saltvann for hvert beger eller kolbe. (Hvis karet ikke har et 300 ml (10 fl. oz.) målemerke, lag et med en markør eller tape som referanse for å opprettholde vannstanden.) Velg et sted uten direkte sollys der flaskene vil ikke bli forstyrret. Plasser begerglassene eller kolbene der og, når de er plassert, bruk fingre eller pinsett forsiktig plasser (ikke slipp) 10 frø av en enkelt art på vannoverflaten i ett kar, merk det med dato, klokkeslett og planteart. Gjenta for hver av de gjenværende frøartene, én art per beger. (Ikke bekymre deg hvis frøene dine synker: denne situasjonen behandles nedenfor.) Dekk munnen på hvert kar løst med plastfolie; noe vann vil fordampe, og en pipette eller baster kan brukes til å fylle på fordampet vann. For å gjøre dette, dispenser vann forsiktig langs den indre veggen av karet for å minimere omrøring av vannoverflaten. (Hvis du har et stort antall deltakere som gjør dette eksperimentet, kan det være ønskelig å sette opp duplikater av eksperimentet på flere forskjellige stasjoner, og sammenligne resultatene fra hver gruppe senere.)

2. Registrer statusen til frøene daglig, logg for hvert fartøy antall frø som fortsatt flyter og antall som har sunket. Dette kan fortsette på ubestemt tid, slik Darwin gjorde ved å fjerne frø med intervaller for å se hvor lenge de ville forbli levedyktige etter langvarig eksponering for saltvann, men det vil være mer praktisk for de fleste å kjøre eksperimentet i en bestemt tidsperiode—1, 2, eller 3 uker, eller hva du foretrekker. Større grupper med replikater av hver frøart kan høste ett replikat per art etter for eksempel 1 ukes eksponering, et andre replikat etter 2 uker osv. Alternativt kan alle replikater flytes i samme tidsperiode for å få beskrivende statistikk over frøytelse blant replikater.

3. Ved avslutningen av tidsrommet bestemt for eksperimentet, registrer antall flytende frø i forhold til sunkne frø for hver art. Ta først opp de flytende frøene fra hvert kar ved å bruke skjeen, pass på at du ikke synker noen frø. Deretter henter du de sunkne frøene, og sørg for å holde hver art atskilt og de fortsatt flytende og sunkne frøene til hver art atskilt. Skyll frøene i ferskvann og plant frøene ved å bruke en av de to følgende metodene:

Tørkepapir metode. Bruk separate retter for flytere og søkke av hver art. Legg ett stykke papirhåndkle på bunnen av fatet, mett med vann og legg frøene. Mett det andre stykket med tørkepapir og legg over bunnstykket, og dekk frøene. Legg lokket på fatet for å forsegle i fuktighet. Sørg for at alle oppvasken er merket (art, flyter versus søkke, dato).

Jordmetoden. Plant hvert sett forsiktig i tilstøtende enheter av spiringsflaten. (Hvis leiligheten ikke har individuelle planteenheter, bruk snor til å riste av flaten.) Plant flytende og nedsunket frø av hver art separat. Gjenta etter behov, vann og dekk flatene eller koppene med plastfolie.

4. Når alle frøene er plantet, utsett tallerkener, spireflater eller kopper for indirekte sollys (ikke direkte sollys) eller en vekstlampe. Overvåk daglig og registrer antall frø av hver kategori (art, flytende versus sunket, etc.) som spirer.

Registrer, for hver art og hver saltvannseksponeringstid (1 uke, 2 uker osv.):

(a) Antall og prosentandel av spirede flytende frø kontra ikke-spirede
(b) Antall og prosentandel av sunkne frø som er spiret versus ikke-spirede

5. Ved avslutningen av dette eksperimentet tabuler dataene, noter prosentandelen av frø som synker og forblir flytende i forsøksperioden, og prosentandelen av hver kategori som spirer. Resultatene kan relateres tilbake til Darwins opprinnelige puslespill: Hvordan koloniserer arter avsidesliggende øyer? To sett med konklusjoner kan trekkes fra vårt Darwin-inspirerte eksperiment, knyttet til flotasjon og levedyktighet i saltvann. For det første forblir frøene til noen arter flytende i en lengre periode. Hva var varigheten av eksperimentet ditt, og hvor langt kan de bli ført av strømmer på den tiden? I et brev til Hooker påpekte Darwin at 'mange havstrømmer går en mil i timen: selv i løpet av en uke kan de bli transportert 168 miles: Golfstrømmen sies å gå 50 og 60 miles om dagen.' Faktisk er dette sannsynligvis en undervurdering for noen strømmer: med en maksimal estimert overflatehastighet på 5,6 mph, kan Golfstrømmen bære flytende frø over 130 miles per dag! Prøv deg frem med å beregne dette.

6. De sunkne frøene kan virke mindre informative for Darwins formål. Imidlertid gir de også innsikt i å vise i hvilken grad frø kan forbli levedyktige etter saltvannseksponering, enten de flyter eller synker. Hvor stor andel av de sunkne frøene dine spiret sammenlignet med de flytende?

II. Avian Airlift: Darwins Duck-Feet Experiment

Truffet av forekomsten av ferskvannssnegler på mange avsidesliggende øyer, så Darwin på transport til sjøs og med luft: flytende eller rafting, eller luftløftet av fugler. Eksperimenter viste at ferskvannssnegler ikke lenge kunne overleve i saltvann, så han bestemte seg for at de fikk et løft i stedet. Kan vannfugler bære vannlevende snegler? Snegler eller andre skapninger kan klatre ombord på føttene til ender og gjess, spesielt når ender sover, med føttene dinglende i vannet. For å teste dette vendte Darwin seg til sitt 'sneglehus' - et akvarium med ferskvannssnegler i alle aldre - der han dinglet med tørkede andeføtter. Han fant snart ut at flere unge snegler klatret ombord. Hvor lenge kunne de holde på? Som han senere skrev i Opprinnelse : «Disse nettopp klekkede bløtdyrene, selv om de var akvatiske i sin natur, overlevde på andas føtter, i fuktig luft, fra tolv til tjue timer; og i løpet av denne tiden kan en and eller hegre fly minst seks eller syv hundre mil, og vil være sikker på å gå av på et basseng eller en bekk hvis den blåses over havet til en oseanisk øy eller til et annet fjernt punkt.» Her er et duck-foot-eksperiment som ville gjort Darwin stolt. Vi skal se hvor mye vannlevende liv kan kolonisere modellandeføtter som vi konstruerer.

A. Materialer

• ^16/3tredybler i diameter, kuttet i 6 tommer (~15 cm) lengder
• Teppestifter
• Små fiskeredskapsvekter, assorterte størrelser
• Ping-Pong baller eller korker
• Ett eller flere vannbestandige materialer (f.eks. denim, borrelås, lerret), kuttet i form av andefot ved hjelp av medfølgende skisse
• Grunn panne
• Sprut flaske, pipette, eller kalkun baster
• Forstørrelsesglass eller dissekerende mikroskop
• Petriskåler
• Liten kniv, spiker eller treskrue for forsiktig å bore hull i ping-pong-ballen eller korken
• Silisium eller gummisement

[ Møt paleobiologen som inspirerte vitenskapen i «Jurassic Park». ]

B. Prosedyre

Lag din andefotmodell:

1. Bruk skissen som er avbildet her som en mal eller en du selv har laget, og spor andefotens omriss på stoff eller andre materialer som brukes til å simulere svømmehuden på en andefot.

2. Bruk kniven eller spikeren og bor forsiktig et hull som er stort nok til å sette inn dybelen i motsatte sider av ping-pong-ballen. Før dybelen gjennom ballen, med ca. 2 cm (1 tommer) stikker ut på den ene enden av ballen ('topp').

3. Fest pluggen i kulen, og tett mot vannlekkasje, ved å påføre en klatt silisium eller gummisement rundt pluggen der den kommer i kontakt med kulen. Hvis du bruker en kork, bor du et hull i den ene enden^1⁄4in. (0,6 cm) dypt og sett den ene enden av pluggen godt inn.

4. Bruk en tommelenk for å feste selve ande-'foten' til bunnen av den lengre enden av dybelen ('benet'). (Merk: flere modeller kan lages, hver med forskjellig materiale for foten; effektiviteten til de forskjellige materialene i adherende organismer kan deretter sammenlignes.)

5. Målet er å flyte modellen andefot i vann, med benet og foten dingler ned i vannsøylen. Siden dyvelbenet i seg selv er flytende, vil det sannsynligvis være nødvendig å feste en liten fiskevekt til skaftet på teppetappen som fester foten. Test ved å plassere andefotmodellen i vann (akvarium eller fylt vask) tilstrekkelig dypt til at benet kan vippe oppreist med foten ned. Fest ekstra utstyrsvekter etter behov til basen for å få modellen til å flyte oppreist, men pass på at du ikke legger til så mye vekt at modellen synker helt. Når du har vekten i balanse, er andefoten klar for utplassering! En fiskesnøre eller lyssnor kan festes til toppen av modellen ved hjelp av en tommestokk.

[ Evolusjon skjer raskere enn du tror. ]

Implementering av modellen:

1. Som en fiskesnøre kan andefoten din settes ut i en dam eller innsjø ved å kaste den forsiktig ut i vannet og binde av snøret slik at den ikke flyter bort.

2. La andefotmodellen din flyte i dammen i minst 2 eller 3 dager (varigheten er åpen). Når du gjenoppretter modellen, ha en panne eller forseglbar pose klar for å motta modellen umiddelbart etter at du har løftet den opp av vannet. Ikke samle opp ekstra vann, bare fjern foten fra vannet direkte i pannen eller posen. Hjemme, skyll forsiktig 'foten' med svømmehud over pannen med en sprutflaske fylt med ferskvann.

3. Bruk et forstørrelsesglass eller dissekerende mikroskop for å inspisere foten for tegn på plante- eller dyreliv. På samme måte kan prøver av pannevannet overføres ved hjelp av en pipette eller baster til en petriskål eller lignende gjenstand for observasjon under disseksjonsmikroskopet. Det kan være vanskelig å skille noen små organismer som protister og alger fra rusk, men nøye observasjon vil avsløre strukturen deres, og vise protozoer som kontinuerlig beveger seg rundt. Større organismer – insektlarver, små snegler osv. – bør være tydelige. Registrer organismene som er observert, og forsøk å telle eller anslå antallet.

4. Dette eksperimentet har en fleksibel kjøretid, fra dager til uker eller lenger. Med et antall kopier kan modellene hentes og analyseres noen få om gangen - med for eksempel 1 ukes mellomrom i løpet av 1–3 måneder. Antall og mangfold av organismer som fester seg til føttene kan tabuleres for individuelle 'ender' og for gruppen som helhet. De som bruker flere andeføtter, kan tegne resultatene over tid, og/eller grafer ut utbyttet fra forskjellige fotmaterialer. Gjør noen materialer en bedre jobb med å tiltrekke seg kolonister? Varierer typen eller forekomsten av organismer mellom materialer, med forskjellige materialer som er rikere i forskjellige grupper?

Fra boken Darwins bakgård av James T. Costa. © 2017 av James T. Costa. Brukt med tillatelse fra utgiveren, W.W. Norton & Company, Inc. Alle rettigheter forbeholdt.