未来城市实验室：了解权衡

告诉学生他们是城市规划师，建筑师或房地产大亨，他们与当地政府合作建造房屋。 政府只会在项目对环境没有负面影响的情况下提供资金。 问学生他们期望什么问题。 期望他们提出价格是潜在的限制之一。 此活动模型的约束是价格，具体化的能源和绝缘。 您将需要在此处定义体现的能量（请参见上文）。 说明隔热是一个重要的考虑因素，因为房屋建成后，绝大部分能量都用于加热/冷却。

向学生介绍规则：他们必须分别为基础，屋顶和墙壁选择一种材料。 有卡片描述材料和分数。

安排学生（成对或三人一组）建造房屋。 每张卡在三个参数中的每一个得分都在10分之内，其中10分是最高分。 他们的任务是盖一栋总得分为 在15之上 对于每个参数（平均 在5之上 每个房屋组成部分）。 换句话说：对于这种情况，如果体现的能量，成本效益和绝缘得分不 15以上，政府将不提供资金，学生必须回到计划书中。

注意：这被设计为不可能。 学生最多只能以两个为代价来优化两个参数。

在给学生足够的时间来解决这个问题之后，让他们分享他们从活动中获得的收获：为什么这项活动如此困难（不可能）？ 这说明什么？ 向学生们表明您正在说明一个概念 交易。 问他们：知道这一点，您认为权衡的定义是什么？ （权衡是一种折衷：获得特定利益是有代价的。)

问（分享之前先谈谈）：在这里我们说明了哪些因素 压抑 可以建造什么样的房屋。 生物有哪些限制条件？ （可能的答案可能包括：时间，空间，食物，能量。）

然后提出这个问题（学生可能还无法回答）：权衡如何帮助我们理解自然选择？

潜在的误解需要在本课程的稍后部分提防：学生将倾向于在生物水平而不是人口水平上进行思考。 因此，尽管单个有机体可能将能量花在一件事情上而不是另一件事上，但这并不是该单个生物的选择。 相反，遭受了最有益的生理损害的生物体具有选择优势。

向学生展示两组鸟类（讲义）。 对于每只鸟，它都显示了它们的栖息地，饮食和交配行为。 使用“能源预算”的框架设备，要求学生首先确定他们注意到的模式，然后确定任何取舍。

一些模式：寒冷环境中的生物在求偶上花费更少的能量，食用高能量食物的生物具有更多的交配伙伴。

固有的能量折衷与能量输入和输出有关。 寒冷地区食物匮乏的生物必须花费精力保持温暖和觅食/狩猎。 这是以寻找更多或更好的伴侣为代价的。 相反地​​，生活在具有高能量食物的温暖环境中的生物则倾向于花一些能量来寻找理想的伴侣。 请注意，白色面板的亚马逊并非完美地适合该模式。 没关系-这是一个过于简化的模型。

让小组分享，然后进行讨论。 什么是进化权衡？ 与建造房屋时的权衡有何相似之处和不同之处？

进化权衡是自然界选择一种特性的一种折衷方案，该特性以一种方式赋予优势，但代价是付出代价。 可以说，每一次适应都是一个权衡。

现在是要澄清一下，在房屋活动中，决策者是承包商，是人。 对于进化中的能源权衡，决策者是自然选择。 哪种平衡最有利，都会带来生殖优势。

向学生或一群学生介绍这些困难（难度各异），以帮助他们练习在进化权衡方面的思考。 每个问题下方均提供了答案。

1.）盲洞鱼

墨西哥洞穴鱼被认为仅在一百万年前就从其表面栖居的表亲发散了，但它根本没有眼睛！ 在黑暗的环境中，什么能解释眼睛的损失（所谓的回归进化）？ 确保使用自然选择的语言进行解释，而不是使用Lamarckian进化论来解释！

眼睛的能量消耗极大，大约占这种大小鱼的能量消耗的15％。 眼睛也容易感染。 如果眼睛没有提供视力的优势，那能量将会浪费掉。 致力于其他生物功能（例如繁殖）的鱼类具有选择优势。

2.）金鹰

金鹰是大型掠食性鸟类。 他们主要吃鱼，爬行动物，松鼠和其他小型啮齿动物。 金鹰使用“持续握持法”杀死猎物：抓住猎物并用爪子挤压。 他们几乎从来没有像山羊那样吃过大的猎物，但是当他们这样做时，他们使用了另一种方法：他们捡起山羊，试图使它们失去平衡，因此就掉下来了。 然后，老鹰飞到悬崖的底部进行盛宴。 为什么这种方法专门针对山羊，却不见于在山区栖息地生活的蛇？

这是“最佳觅食理论”的一个很好的例子，该理论提出，进化论会选择能带来最高净能量获取的方法：食物中的卡路里减去获取食物所消耗的能量卡路里。 放下山羊只需要很少的精力就能产生大量的食物。 相反，在山上飞来飞去，花太多的精力去买一条仅用爪子就能轻易杀死的蛇。

3.）阿尔茨海默氏症在加勒比海

在巴西和其他地区的贫民窟，劣质水导致许多儿童因腹泻而死于并发症。 这些孩子由于脱水和/或营养不良而恶化。 与世界上其他任何地方相比，在同一人群中，罕见的称为APOE4的基因突变更为普遍。 这种突变会在以后的生活中增加阿尔茨海默氏病的可能性。 有什么可能的进化解释？

事实证明，APOE4可以预防由于过度腹泻引起的营养不良而给儿童带来的发育问题。 为什么要权衡利弊？ 阿尔茨海默氏病通常会在人们繁殖后影响他们。 因此，在儿童因这种特定类型的营养不良而死亡的人群中，自然选择有利于儿童存活至生殖年龄，而以其以后的痴呆症为代价。

4.）山毛榉

山毛榉滴既是植物又是寄生虫。 它从山毛榉树的根部吸收养分以维持自身。 我们可以安全地假设，由于山毛榉滴是植物，因此它们是从绿叶植物中衍生而来的。 山毛榉滴有鳞片状的叶子，没有叶绿素。 当然，光合作用将提供次级能源–为什么自然选择会偏爱叶片的损失？

寄生虫必须专门化才能逃避宿主的防御。 这消耗能量。 在山毛榉落下的情况下，它们会生长专门的结构，称为haustoria，可以穿透植物的细胞壁。 光合作用不是被动活动-生长具有所需特殊结构的功能性叶片并使叶绿素吸收大量营养和能量。 植物争夺阳光。 显然，与“万事通”策略相比，专注于寄生虫显然具有选择优势。

5.）老化

大量的科学证据表明，衰老（也称为衰老）已编入我们的基因，这一假设很像iPhone等新技术“计划过时”。鉴于您对自然选择的了解，这怎么可能？

这再次是能量的折衷。 维持和修复生物体所需的能量是以花在生殖上的能量为代价的。 除非再繁殖两倍以上，否则生存两倍的时间没有选择优势。

6.）男狼蜘蛛

雄性狼蛛通过用干燥的树叶猛烈敲打腿部来吸引伴侣。 最近的研究表明，这种活性是雄性蜘蛛免疫功能的直接代价。 为什么这可以帮助解释为什么击鼓对雌蜘蛛具有吸引力？

这种权衡恰恰就是为什么击鼓被称为“诚实特质”的原因。只有真正健康的男性才能负担得起在这项求爱活动上的精力。 因此，一个没有病的打鼓男性表现出相当的体能。

我们看到，所有系统-从无生命的系统（如房屋到自然生物）-都在权衡系统中运作，以追求最大效率。 在人类对建筑材料的选择和自然选择的自然过程中，我们看到什么区别？ 可以说一个人比另一个人更“理性”，还是两者的弊端？