Даръл Л. Рей; Да ядеш или да не ядеш: Лесна симулация на оптимален избор на диета в класната стая. Американският учител по биология 1 януари 2010 г .; 72 (1): 40–43. doi: https://doi.org/10.1525/abt.2010.72.1.10

лесна

Изтеглете файла с цитат:

Оптималният избор на диета, компонент на теорията за оптимално хранене, предполага, че животните трябва да избират диета, която максимизира консумацията на енергия или хранителни вещества за единица време, или минимизира времето за храна, необходимо за постигане на необходимата енергия или хранителни вещества. В това упражнение учениците симулират поведението на фуражните храни, които или не показват предпочитания за фураж, или демонстрират предпочитание за фураж въз основа на съотношенията на рентабилност (средно енергийно съдържание на хранителен продукт, E // средно време за работа, h). Хранителите, които оптимизират диетата си, постоянно набират повече обща енергия за определен период на хранене. Демонстрацията е мащабируема до пълно лабораторно упражнение със статистически анализ и графични дейности.

Теорията за оптималното търсене на храна има основни последици за фундаменталните екосистемни процеси като енергиен поток и за взаимодействията в общността, като връзките хищник - плячка. Въпреки че теорията е била обект на многобройни критики (Pyke, 1984; Pierce & Ollason, 1987), тя предоставя важен модел за разбиране на динамиката на избора на диета, както и места за търсене на храна и стратегии. Редица отлични лабораторни упражнения са публикувани в Американския учител по биология, включително наскоро статия на Yahnke (2006). Това са предимно полеви упражнения, които са чудесен избор в лабораторен клас. За съжаление обаче в моя клас по обща екология липсва лаборатория. Имах нужда от бърза дейност в клас, за да допълня лекцията си по тази тема и да демонстрирам практическото приложение на максимизиране на ефективността на приема на енергия и хранителни вещества при избора на диета.

В моите класове отварям дискусията за стратегиите за хранене и избора на диета, като мигам PowerPoint слайд от чиния с бисквити с макадамия с ядки от бял шоколад до голяма чиния с броколи. Анкетирам учениците в класа, кои обикновено предпочитат. В повечето случаи само един или двама ученици от клас от 30 избират броколите. На въпроса защо предпочитат наситените със захар и мазнини бисквитки пред богатите на витамини и фибри броколи, учениците обикновено отговарят, че вкусът им харесва повече. Теорията за оптималното търсене на храна предлага различен отговор и той се крие в икономическия принцип на рентабилността. Както отбелязват учениците, мазнините и захарите имат добър вкус; но захарите имат допълнителната полза от осигуряването на бързо наличен енергиен тласък, докато мазнините имат висока калорийна плътност. Такива предпочитания предполагат, че хората могат да следват модели, наблюдавани при много други видове: Те наистина могат да оптимизират за консумация на енергия, което може да бъде отразено в хранителните предпочитания (Kaplan & Hill, 1992; Mulder, 2005).

Krebs (2001) обобщава ключовите моменти за оптимален избор на диета като максимизиране на енергията или хранителните вещества за единица време и минимизиране на времето, необходимо за постигане на приемливо ниво на дневна енергия или хранителни вещества. Рентабилността на даден хранителен продукт може да се определи като съотношение

където E е енергийната стойност на хранителния продукт, а h е времето за обработка, необходимо за обработката на хранителния продукт. За да бъде избран хранителен продукт, коефициентът на рентабилност трябва да бъде по-голям от този на алтернативните артикули. Можем да символизираме това като

Превключването може да възникне, когато времето за обработка на предпочитания елемент се увеличи поради увеличеното време за търсене (S) до точката, че алтернативният елемент става по-изгоден. Като неравенство това може да се изрази като

Въпреки че тази теория може лесно да бъде представена от удобната, седнала позиция на биологията на фотьойла, виждането й в симулирано действие е далеч по-ефективно и запомнящо се. Представеното тук упражнение може да се използва като демонстрация в клас или, само с малка модификация, може да се използва в лаборатория.

Материали и методи

Упражнението на Милър (1999) за хранене в неравномерна среда дава полезна основа за развитието на настоящата симулация. Симулацията се основава на проста система, при която два вида храни са на разположение на фуражника. Наличността на храна първоначално не е ограничаваща: има достатъчно предлагане и на двата вида храни. Симулацията също така предполага, че фуражът може да консумира безкрайно количество храна и че няма конкуренция с други фуражи.

Използвам два вида зърна, които са приблизително еднакви по размер в симулацията. Пинто бобът и малкият бял флотски боб работят добре. За да улесня изчисленията, присвоявам произволни средни енергийни стойности за всеки вид боб: пинтосите имат по 3 диетични калории, а флотските зърна имат 4.4. По този начин, привидно, флотският фасул е по-печелившата храна. Обаче увивам всеки флотски боб в малък квадрат от алуминиево фолио, за да удължа времето за обработка. За всяко бягане един ученик служи като фураж, а друг действа като официален архив. Инструкторът или трети студент поддържа време с хронометър. Използвайки чифт сервиращи щипки от неръждаема стомана, фуражът събира зърна и ги поставя в пластмасова чаша. Щипците добавят известна трудност към упражнението за търсене, за да забавят процеса. Когато фуражът взима боб, тя съобщава: „Имам пинто боб!“ Или „Имам флотски боб!“, За да позволи на рекордьора да следи конкретния опит.

В упражнението има четири изпитания (обобщени на фигура 1). Във всяко проучване зърната се разпръскват произволно в рамките на определена граница. Използвам хула обръч, за да служа като фуражна арена. В опит 1 учениците определят времето за събиране и обработка на 10 (или 20) зърна и след това изчисляват времето за обработка на боб в секунди. Рентабилността се изчислява като съотношението на средната енергия на боб, разделено на средното време за обработка в секунди. Опит 2 повтаря процеса за опакованите морски зърна. За да обработи тъмно зърно, фуражът трябва да разгъне зърното, да обяви събирането и след това да го постави в чашата. Сравнявайки двете стойности на рентабилност, студентите могат ясно да определят коя храна трябва да се предпочита според теорията.

Поток от задачи при симулация на оптимален избор на диета.

Поток от задачи при симулация на оптимален избор на диета.

Работейки от хипотезата, че фуражниците трябва да увеличат максимално енергийния прием на фуражна сесия, учениците могат да предвидят, че изборът на по-печеливша храна ще увеличи максимално енергийното им потребление, докато яденето без предпочитание ще осигури по-малко енергия на сесия. Опити 3 и 4 проверяват тази хипотеза. В изпитание 3 фуражът избира от достатъчно количество както пинтови, така и обвити във фолио морски зърна. Използвайки същите правила като преди, фуражникът има 2 минути, за да нахрани методично по трансекта на арената за хранене, консумирайки следващия най-близък хранителен продукт, без да се отчита вида. В опит 4 фуражът отново има 2 минути, за да се храни само с предпочитания хранителен продукт. Студентите изчисляват общата енергия, получена за опитване, като умножават енергийното съдържание на даден вид зърна по общия брой зърна, събрани през двуминутния период и разделят на 2, за да отчитат енергията, получена за фуражна минута.

Резултати

Таблица 1 е сравнение на изпитанията за обработка на времето за пинто и флота, обобщаващи резултатите от пет различни класа. За изчисляване на коефициентите на рентабилност за всеки вид храна са използвани средни стойности от петте проучвания. Средното време за обработка е 3,83 секунди // боб (SE = 0,26) за изпитването с пинто и 11,92 секунди // боб (SE = 1,44) за изпитание на флота (фигура 2). Въпреки че средната енергия, съдържаща се на боб, е била по-голяма за морския фасул, времето за обработка намалява значително рентабилността: средните стойности за петте изпитания връщат коефициенти на рентабилност от 0.78 за пинтос и само 0.34 за флотски боб. Според оптималната теория за фураж, трябва да се покаже ясно предпочитание към пинтосите.

Резултати от опити 1 и 2: изчисляване на времето за обработка (в секунди) и съотношенията на рентабилност.

Примерна фигура, показваща резултати от провеждане на експерименти с време от пет групи.

Примерна фигура, показваща резултати от експерименти за обработка на времето от пет групи.

Използвайки изходните стойности на рентабилност от опити 1 и 2, беше предсказано, че проучването за фураж без предпочитание към типа храна ще доведе до по-ниска обща консумация на енергия за единица време от тази, в която се предпочита по-печелившата храна. Таблица 2 обобщава резултатите от пет цикъла на опити 3 и 4. Сравнявайки резултатите от изпитванията без преференции и предпочитаните храни, е очевидно, че храненето за предпочитаната храна наистина увеличава общото потребление на енергия (Фигура 3). Въпреки че по време на изпитание 3 бяха изразходвани приблизително еднакви количества енергия за двете хранителни продукти, по-голямото време за обработка (и намалената рентабилност) на военноморските зърна предизвика спад в общото потребление на енергия. Данните от тези проучвания показват, че селективното хранене с предпочитани видове храни е довело до 2,27-кратно увеличение на потреблението на енергия в сравнение с безразборната храна.

Резултати от опити 3 и 4: обща консумирана енергия (диетични калории) за фуражна минута без предпочитание спрямо селективно хранене за предпочитана храна.

Консумация на енергия за фуражна минута (± SE) за стратегия за хранене без предпочитание спрямо енергийно оптимизираща стратегия за хранене.

Консумацията на енергия за фуражна минута (± SE) за стратегия за хранене без предпочитания спрямо енергийно оптимизираща стратегия за хранене.

Дискусия

Теорията за оптималното хранене осигурява рамка за разбиране на ключов аспект на енергийния поток в екосистемите. Той фокусира процеса върху активния фураж и изяснява правилата, по които организмите избират храна, за да отговорят ефективно на метаболитните си нужди. Принципите, представени в тази симулация, ясно показват защо бисквитките са по-популярни от броколите (освен вкуса): те опаковат повече енергия в по-малка опаковка. Ако средната бисквитка с бял шоколад с макадамия и ядки има 177 диетични калории, а порция броколи с 1 чаша има 43 диетични калории, ще са необходими 4,12 чаши броколи, за да осигурите същото количество енергия. Излишно е да казвам, че обработката (напр. Нарязване и дъвчене) на броколите отнема значително повече време. Разбира се, твърде е опростено да се каже, че хората оптимизират само въз основа на енергия (Kaplan & Hill, 1992). Други фактори като съдържание на протеини и дори социални дейности влияят върху избора на диета при проучвания на по-примитивни човешки култури. Основният принцип на оптимизация обаче все още е очевиден при хората.

Симулацията, която представих тук, наистина е проста: тя има само няколко параметъра, като ограничен избор на храна, и предполага, че срещите с хранителни продукти са случайни и че фуражът може да консумира безкрайно количество храна. Разбира се, природата осигурява много повече вариации, отколкото могат да бъдат тествани в кратка симулация. Но, както при всяка система от модели, тя показва принцип и дава отправна точка за разбиране на дадено явление. Тази симулация точно и надеждно дава резултати, които подкрепят основните предпоставки за оптимален избор на диета.

Демонстрирането на принципите на оптималния избор на диета поставя началото на дискусия за това как организмите могат да подбират храната си и защо това е важно в по-голямата схема на екосистемните процеси. Използвах тази симулация успешно като демонстрация в клас в продължение на 3 години в втори курс // Обща екология в клас, както и в презентации за ученици от средното училище, посещаващи кампуса за годишния ден на научната кариера. Концепцията е еднакво достъпна и за двете аудитории и, не е изненадващо, че и двата типа ученици правилно правят подобни заключения, когато им се предоставя само минимум уводна дискусия и дефиниция на термини, което го прави отлично допълнение към обучителна програма, базирана на запитване.

Друго ключово предимство от използването на симулация като тази е, че тя предоставя възможност за интегриране на математиката в кабинета по биология. Много студенти по биология са склонни да се противопоставят на използването на математика извън часовете по математика. В зависимост от това как инструкторът избере да настрои симулацията, тя може да избере да преведе учениците през изчисленията или да им даде указания да намерят конкретни стойности и да им позволят да определят най-добрия маршрут за намиране на решенията. Очевидно последното би работило по-добре в лаборатория с достатъчно време за проучване чрез проби и грешки. Използването на симулацията в лаборатория също така позволява обединяване на резултатите от няколко групи, като по този начин се осигурява по-голяма увереност в резултатите и по-голям набор от данни, с които да се работи. Студентите могат да изчисляват описателна статистика от обединените данни на класа и след това да графират резултатите. Например, използването на t-тест на Student за средства и тестване на данните за времето за обработка спрямо нулевата хипотеза, че няма разлика във времената за обработка между двата вида боб, дава стойност на двустранен t-тест от ——5,53 ( p≤≤0,001); това би означавало, че двете средни времена за обработка са значително различни.

Допълнителни въпроси могат да възникнат от симулацията. Например:

1. Защо някои организми седят и чакат хищници, ако има полза от търсенето на предпочитан тип храна? Един от подходите към този въпрос би бил да се има предвид, че много хищници, които седят и чакат, са пойкилотерми, за които енергийните изисквания на активния лов вероятно ще отменят всяка полза, произтичаща от тази скъпо струваща енергия дейност.

2. Кой тип организъм най-добре отговаря на оптималния модел на хранене по отношение на оптималния избор на диета? Тук бихте могли да помислите за специалисти и специалисти по общо хранене. Организмите, които са специалисти, може да са склонни да оптимизират диетата си повече от обикновените специалисти.

3. Каква е ролята на засищането при определяне на оптималната диета? Настоящата моделна система предполага, че фуражът може да яде безкраен брой хранителни продукти - т.е. ситостта не е фактор. Въпреки това, в реалния свят повечето видове са склонни да се хранят, докато не задоволят хранителните си нужди. Това може да доведе до по-малък натиск върху ресурса на плячката, като по този начин се модерира необходимостта и честотата на превключването на хищника от предметите на плячката.