Tekijät:  Marjut Kaarsalo-Koskela ja Terhi Närhi

 

Opettajalle:

Kohderyhmänä ovat lukiolaiset, ja työ vastaa lukion opetussuunnitelman (LOPS) BI1-kurssin tavoitteita. Työssä tutustutaan evoluutioon, eliön rakenteisiin ja niiden kehittymiseen, sekä mikroskopointiin tutkimusmenetelmänä ja mikroskooppiin työvälineenä. Oppilaan on hyvä osata etukäteen perusperiaatteet evoluutiosta ja sen etenemisestä. Tunnin kesto n. 90 min.

Eläviä Daphnioita saa tilata akvaariokaupasta, ja ne toimitetaan kylmähorroksessa pienissä pusseissa. Työn jälkeen elävät Daphniat voi kierrättää kalojen ruuaksi esim. palauttamalla ne akvaarioliikkeeseen tai lopettaa liiskaamalla, jolloin kuolleet Daphniat voi huuhdella viemäristä alas (ei eläviä!). Vinkki: Daphniat ovat mielenkiintoisia ja melko helppoja kasvatettavia, joten niitä voi myös pitää mikroskopoinnin jälkeen kasvatettavina ja tarkkailtavina luokassa.

Jos mahdollista, kannattaa katsoa ennen työn aloittamista myös videot Daphnian elinkierrosta ja mikroskoopin käsittelystä (linkit alempana).

Työn ja tutkimisen iloa!

 

Taustaa:

Tutkittavana on Daphnia, joka on pienikokoisten äyriäisten (Crustacea) sukuun kuuluva vesikirppu (Cladocera). Daphniat ovat planktonäyriäisiä, ja tärkeä osa vesien ravintoketjua: ne ovat monen lajin pääasiallista ravintoa. Daphniat itse syövät ravintonaan pääasiassa mikroskooppisia leviä ja vedessä olevaa hajoavaa elollista ainesta suodattamalla.

Daphniat on hyvin vanha suku: uusien tutkimusten mukaan se on vähintään 145 miljoonaa vuotta vanha. Vertailun vuoksi nisäkkäät olivat samaan aikaan vasta rotan kokoisia pikkuotuksia.  Daphniaa käytetään koe-eläimenä esimerkiksi veden laadun tutkimisessa, sillä se reagoi herkästi ympäristömyrkkyihin. Kehon läpinäkyvyys tekee siitä helposti tarkasteltavan (kuva 1.).

Tiesitkö, että Daphnialla on myös enemmän geenejä kuin ihmisellä? Sen geenistö on suurempi kuin millään muulla perimältään tunnetulla eläimellä!

Kuva 1. Daphnia pulex (Kuva: Paul Herbert CC BY-SA 2.5)

Daphnioiden elinkiertoon liittyy sukupolvenvuorottelua, mikä on eläinkunnassa melko harvinaista. Sukupolvenvuorottelussa eliölajilla esiintyy suvullisesti ja suvuttomasti lisääntyviä sukupolvia (kuva 2.). Suurin osa Daphnia-yksilöistä on kesäkaudella suvuttomasti (partenogeneettisesti) syntyneitä naaraita. Syksyisin naaraat muodostavat hedelmöittymiskykyisiä munia, kun partenogeneettisesti syntyneitä koiraita alkaa ilmestyä. Hedelmöityttyään munat talvehtivat kuoresta kehittyvän suojan sisällä ja kuoriutuvat keväällä. Munista kuoriutuu diploideja naaraita. Daphnian sikiökammio sijaitsee sen selkäpuolella.

Kuva 2. Daphnian elinkierto (Kuva: Wikipedia Creative Commons, Credit: Dita Vizoso. Suomenkieliset tekstit: Marjut Kaarsalo-Koskela)

Daphnialla on takkimainen, edestä auki oleva selkäkilpi, joka peittää suurimman osan sen ruumiista, ja se liikkuu käsivarsimaisten tuntosarviensa eli antenniensa avulla: liike on kirppumaisen hyppivää. Daphnia kuuluu kidusjalkaisiin: se käyttää jalkojensa liikettä hapekkaan veden ja ruuan ohjaamiseen kehoonsa. Sillä on vain yksi verkkosilmä, joka on syntynyt kahden silmän yhteensulautumasta (kuva 3.).

Kuva 3. Daphnian rakenne

(Kuva: Credit Julie McMahon (University of Illinois at Urbana-Champaigni), suomenkieliset tekstit: Marjut Kaarsalo-Koskela)

 

Daphnian sukupuu: Daphnioiden sukupuuta tarkastellessa huomaa niiden kuuluvan suvultaan Daphnioihin, heimoltaan Daphniidaeen (Daphniat), alalahkoltaan Cladoceraan eli vesikirppuihin, lahkoltaan Diplostracaan, luokaltaan Branchiopodaan eli kidusjalkaisiin, alajaksoltaan Crustaceaan eli äyriäisiin, pääjaksoltaan Arthropodaan, eli niveljalkaisiin, kunnaltaan Animaliaan eli eläinkuntaan ja domeeniltaan Eukaryaan, (tumallisiin) (kuva 4.).

Tietoa kladogrammista: Polveutumishistoriaa kuvaavaa sukupuuta eli kladogrammia tarkastelemalla voi tutkia eliön evoluutiohistoriaa. Kladogrammi on diagrammi, joka kuvaa ryhmien välisiä evolutiivisia suhteita. Se perustuu fylogeniaan, joka on evolutiivisten suhteiden tutkimista. Joskus kladogrammeja kutsutaan fylogeneettiseksi puuksi (vaikka niiden välillä on pieniä eroja). Menneisyydessä biologit saattoivat ryhmitellä eliöitä vain niiden ulkomuodon perusteella. Nykyään, genetiikan ja biokemian kehityttyä, biologit voivat tutkia yksilöitä tarkemmin ja löytää kaavan niiden evoluutiossa ja ryhmitellä niitä sen mukaisesti. Menetelmää kutsutaan evolutiivisen luokituksen kladistiikaksi. Analyysissä tutkitaan eliöiden kehityslinjoja eli kladeja etsimällä niiden yhteisiä uusia toiminnallisia piirteitä, eli synapomorfisia tuntomerkkejä. Nämä uudet piirteet esiintyvät myöhemmin kehittyneissä eliöissä, mutta eivät aiemmin kehittyneissä, joten tällaisen piirteen ilmestyttyä kantamuoto ja sen jälkeläiset muodostavat monofyleettisen ryhmän, joka on eriytynyt muista kehityslinjoista, ja muodostaa uuden haaran evoluutiopuuhun.

Kuva 4. Daphnian kladogrammi.  (Kaavio: Marjut Kaarsalo-Koskela.  Kuvat ylhäältä: Musca domestica, Wikimedia Commons, USDAgov, CC BY-SA 3.0. Lebadidae, Wikimedia Commons, M. Bushmann, CC BY-SA 3.0.  Nebalia bipes, Wikimedia Commons, Hans Hillewaert, CC BY-SA 4.0. Diaptomus, Wikimedia Commons, credit: NOAA, Great Lakes Environmental Research Laboratory. Daphnia Magna, Wikimedia Commons, Dita Vizoso, CC BY-SA 3.0. Artemia Salina, Wikimedia Commons, Hans Hillewaert, CC BY-SA 4.0)

Kuvan 4. kladogrammia luetaan vasemmalta oikealle, varhaisimmat vaiheet ovat siis vasemmalla ja oikealle edetään kohti nykypäivää. Haarautumisista voi lukea kehityshistorian ja sukulaisuussuhteita.

 

Lisää tietoa videoilta (engl.):

Daphnian elinkierto:  https://www.youtube.com/watch?v=xbfc30nw1PQ

Mikroskoopin käsittely:  https://www.youtube.com/watch?v=SUo2fHZaZCU

 

Työturvallisuus:

Varo käsitellessäsi työssä tarvittavia objektiivilaseja, ne ovat särkyessään hyvin teräviä!

 

Arvioitu aika:

Tunnin kesto n. 90 minuuttia

 

Pohdittavaksi ennen työtä:

• Mikä aihe biologiasta kiinnostaa juuri Sinua?
• Mitä sanasta evoluutio tulee mieleesi?
• Mitä odotat tunnilta?

 

Pohdittavaksi tunnin jälkeen:

• Mitä opin / mikä oli uutta?
• Mikä herätti kysymyksiä?
• Mitä mielenkiintoista havaitsin mikroskopoinnilla?
• Muita havaintoja/kokemuksia?

 

Tarvikkeet (kuva 5):

• työohje ja tehtävät
• eläviä Daphnioita astiassaan
• mikroskooppi
• petrimalja
• objektiivilaseja
• 3 ml Pasteur-pipetti
• koontiastia tarvikkeille
• kännykkä tai läppäri nettiin pääsemiseksi

Kuva 5. Mikroskoopin viereen tarvittavat välineet.  (Kuva: Marjut Kaarsalo-Koskela)

 

Sähköinen sukupuu:

http://www.wellcometreeoflife.org/interactive/

 

Kuva 6. Mikroskoopin osat.  (Kuva: Miika Koskela ja Marjut Kaarsalo-Koskela)

 

Työohje:

1. Alkukysely ja -keskustelu

• Mikä aihe biologiasta kiinnostaa juuri Sinua? Mitä sanasta evoluutio tulee mieleesi? Mitä odotat tunnilta?

2. Mikroskopointi: Ota varovasti suojahuppu pois mikroskoopin päältä. Tutustu mikroskoopin osiin ja toimintaan (kuva 6.).

Jokaisella parilla on mikroskoopin vieressä kaikki tarvittavat välineet sekä Daphniat. Käsittele Daphnioita varoen, ne ovat eläviä olentoja ja melko herkkiä. Kytke virta mikroskooppiin ja tarkista että valo syttyy.

3. Kun mikroskooppi on valmis, harjoittele Pasteur-pipetillä pienen pisaran tiputtamista ensin petrimaljalle. Harjoiteltuasi riittävästi ota pipetillä varovasti yksi Daphnia astiasta ja tiputa se hyvin pienen vesipisaran sisällä objektiivilasille. Kun olet onnistunut siirtämään Daphnian vesipisarassa lasille, siirrä se varovasti mikroskooppiin tarkastelua varten. Pidä huolta että Daphnia ei kuivu mikroskopoinnin aikana, lisää tarvitaessa pieni määrä vettä pipetillä.

4. Tarkastele Daphnioita eri suurennoksilla. Mikä suurennos sopii parhaiten tarkasteluun? Ole varovainen, kun käännät revolverissa objektiiveja: suurin on pidempi kuin muut eli nosta ne ylös ennen kuin käännät suurimmalle suurennokselle! Tutki Daphnioita: löydätkö sydämen, tuntosarvet (antennit), sikiökammion ja mahdollisesti alkioita siellä? Mikä osa on Daphnian kuorta? Montako lyöntiä minuutissa arvioisit sydämen lyövän?

5. Vie mikroskopoinnin jälkeen ”käytetyt” Daphniat varovasti takaisin astiaansa upottamalla objektiivilasit veteen. Kaada varovasti elävät Daphniat myös omasta kupistasi samaan yhteiseen astiaan. Kuolleet Daphniat voi huudella viemäriin. Palauta tiskialtaalle muutkin käytetyt välineet: pipetit, objektiivilasit, petrimaljat ja koontiastia, sekä laita mikroskooppi siirtokuntoon ja huputa se.

6. Vastaa tehtävien kysymyksiin ja tarkastele sähköistä sukupuuta.

7. Loppukoonti: vastausten läpikäynti ja keskustelu havainnoista sekä opituista asioista. Voit myös kertoa mielipiteitäsi tai antaa palautetta.

• Mitä opin / mikä oli uutta? Mikä herätti kysymyksiä? Mitä mielenkiintoista havaitsin mikroskopoinnilla? Muita havaintoja/kokemuksia?

 

 

Oppilaan tehtävät:

Tehtävä 1. Sähköinen sukupuu

Mikä on lähin sukulainen, jonka löydät tästä sähköisestä sukupuusta Daphnialle? Vinkki: käytä apuna Daphnian kladogrammia.

Sähköinen sukupuu: http://www.wellcometreeoflife.org/interactive/

Lähin löytämäni Daphnian sukulainen oli:_____________________________________

 

Tehtävä 2. Analysoi kladogrammia:

Tutki alla olevaa kladogrammia, diagrammissa olevat kirjaimet viittaavat eri innovaatioihin. Yhdistä oikea ominaisuus sopivaan kirjaimeen. (Kladogrammi on yksinkertaistettu, eikä kuvaa hyönteisten oikeaa fylogeniaa.)

Yhdistä oikea ominaisuus oikeaan kirjaimeen:

Kuva 7. (Kuva ja kaavio: Shannan Muskopf, Biology Corner CC BY-SA 4.0, suomenkieliset tekstit: Terhi Närhi)

Tehtävä 3. Luo oma kladogrammi (taulukko 1.)

Jotta voit luoda kladogrammin, sinun täytyy ensin katsoa eläimiä, joita aiot tutkia ja määrittää mitkä piirteet ovat ryhmälle yhteisiä ja uniikkeja. Kirjaa onko taulukon eliöllä kyseistä piirrettä vai ei ja sen perusteella piirrä kladogrammi.

Taulukko 1. (Taulukko: Terhi Närhi)

Piirrä kladogrammi tähän:

 (varaa tilaa kaaviolle)

 

 Lisätehtävä:

Kokeile piirtää tähän Daphnia mikroskopointihavaintojesi mukaan! Mitä elimiä erotit? Millainen on Daphnian rakenne? Minkä/millaisen rakenteen perusteella sanoisit Daphnian kuuluvan äyriäisiin? Entä kidusjalkaisiin?

(varaa tilaa piirrokselle)