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6.3 种群基因组成的变化与物种的形成教案
【教学目标】
1、通过对桦尺蠖的案例分析，感性认识种群中普遍存在的变异是适应与进化的前提、自然选择使有利表型积累，让生物更好地适应环境的观点。
2、通过运用数学方法计算种群中基因频率的改变，说出自然选择的影响和进化的本质，并树立用数学方法解决生物学问题的科学探究意识。
3、初次得到的数学公式结果与现实形成认知冲突，尝试对模型修正和检验，进一步提升科学探究能力，总结影响生物进化的因素。
【教学重难点】
教学重点：1、物种与隔离的概念
2、隔离在物种形成中的作用
教学难点：1、区分种群和物种的概念
2、隔离在物种形成中的作用
【新课导入】
新课导入
先有鸡还是先有蛋？
甲同学说：当然是先有鸡蛋了，因为只有生殖细胞产生的基因突变才能遗传给后代，体细胞即使发生了基因突变，也不能影响后代的性状。
乙同学说：不对，人们在养鸡过程中，是根据鸡的性状来选择的，只让符合人类需求的鸡繁殖后代，因此是先有鸡后有蛋。
讨论
1、到底是先有鸡还是先有蛋
这两种观点都有一定的道理，但都不全面。因为他们忽视了鸡和蛋在基因组成上的一致性，也忽视了生物的进化是以种群为单位而不是以个体为单位这一重要观点。生物进化的过程是种群基因库在环境的选择作用下定向改变的过程，以新种群与祖先种群形成生殖隔离为标志，并不是在某一时刻突然有一个个体或一个生殖细胞成为一个新物种。
【新课讲解】
种群和种群基因库
教师：展示种群的图片，讲解种群的概念。一片树林中的全部猕猴是一个种群，一片草地上的所有蒲公英也是一个种群。
教师：一个种群其实就是一个繁殖的单位，雌雄个体可以通过繁殖将各自的基因遗传给后代。
教师：种群在繁衍过程中，个体有新老交替，但是基因却代代相传。比如蝗虫，在秋天都会死去，但是有一部分蝗虫完成了生殖，死前在土壤中埋下受精卵，在第二年，部分受精卵就会发育成蝗虫。同一年的蝗虫相比，新形成的蝗虫种群在基因组成上会有什么变化？这就涉及到了种群的基因库。
教师：讲解种群基因库的含义和基因频率的含义。以课本上的案例讲解基因频率的计算。
教师：讲解课本思考·讨论的问题：
1.（1）A配子占60%。a配子占40%
（2）子代基因型频率：AA占36%，Aa占48%，a占16%
（3）子代种群的基因型频率：A占60%，a占40%
（4）种群的基因频率会同子一代一样。
亲代基因型的比值 AA（30%） Aa（60%） aa（10%）
配子的比值 A（30%） A（30%） a（30%） a（10%）
子代基因型频率 AA（36%） Aa（48%） aa（16%）
子代基因频率 A（60%） a（40%）
2.对自然界的种群而言，这5个条件是理想状态，实际是不存在的，如种群数量不可能无限大：由于受地理隔离的作用，雌雄个体间会失去自由交配的机会；有个体的迁入、迁出；自然选择会对翅色遗传起选择作用；基因突变频率虽低，但却是普遍存在的。以上事实说明，上述计算结果是在假设的理想条件下得到的。
3.若种群产生新基因A2，会使种群的基因频率发生变化。基因A2的频率增大还是减少，要看这一突变对生物体有利还是有害。
种群基因频率的变化
基因突变在自然界是普遍存在的。基因突变产生新的等位基因，这就可以使种群的基因频率发生变化。
思考：生物自发突变的频率很低，而且大多数突变对生物体是有害的，那么，它为何还能够作为生物进化的原材料呢？
由于种群是由许多个体组成，每个个体的细胞中都有成千上万个基因，这样，每一代就会产生大量的突变。
【例如】果蝇1组染色体上约有1.3×104个基因，假定每个基因的突变频率都为10-5，对一个约有108个个体的果蝇种群来说，每一代出现的基因突变数是： 2×1.3× 104 × 10－5× 108 =2 .6×107（个）
突变的有害和有利也不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。
【例如】有翅的昆虫中有时会出现残翅和无翅的突变类型，这类昆虫在正常情况下很难生存下去。但是在经常刮大风的海岛上，这类昆虫却因为不能飞行而避免了被海风吹到海里淹死。
基因突变产生的等位基因，通过有性生殖过程中的基因重组，可以形成多种多样的基因型，从而使种群中出现多种多样可遗传的变异类型。
总结：突变和基因重组是随机的、不定向的
思考：种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蛾（其幼虫叫桦尺蠖）。它们夜间活动，白天栖息在树干上。杂交实验表明，桦尺蛾的体色受一对等位基因S和s控制，黑色(S)对浅色(s)是显性的。在19世纪中叶以前，桦尺蛾几乎都是浅色型的，该种群中S基因的频率很低，在5%以下。到了20世纪中叶，黑色型的桦尺蛾却成了常见的类型，S基因的频率上升到95%以上。19世纪时，曼彻斯特地区的树干上长满了浅色的地衣。后来，随着工业的发展，工厂排出的煤烟使地衣不能生存，结果树皮裸露并被熏成黑褐色。
假设1870年，桦尺蛾种群的基因型频率为SS10%,Ss 20%,ss 70%,S基因的频率为20%。在树干变黑这一环境条件下，假如树干变黑不利于浅色桦尺蛾的生存，使得种群中浅色个体每年减少10%,黑色个体每年增加10%。第2~10年间，该种群每年的基因型频率各是多少？每年的基因频率是多少？（计算结果填入下表）（详见课本）
总结归纳：自然选择定向改变种群的基因频率
自然选择直接选择表型而不是基因型。
在自然选择的作用下，种群基因频率发生定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化
在自然选择的作用下，具有有利变异的个体更有机会产生后代，种群中控制有利变异表型的基因的频率也会不断提高；相反，具有不利变异的个体留下后代的机会少，种群中控制不利变异表型的基因的频率会下降。
自然选择对种群基因频率变化的影响
教师布置学生阅读教材P112~113“探究自然选择对种群基因频率的影响”的内容，根据问题，作出假设，并通过数学方法来进行探究，完成表格。
教师提出问题：在这个探究实验中根据上面的数据分析，变黑的环境对桦尺蠖产生了什么样的影响？变黑的环境对桦尺蠖浅色个体的出生率有影响吗？（变黑的环境使控制浅色的s基因频率减少，S基因频率增加。许多浅色个体可能在没有交配、产卵前就已被天敌捕食。）
师生共同总结得出：自然选择使基因频率定向改变。
教师提出问题：在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表现型？（天敌看到的是桦尺蠖的体色（表现型）而不是控制体色的基因。）
师生共同构建模型：变异是不定向的→定向的自然选择使得种群中的不利变异被淘汰，有利变异逐渐激烈→种群基因频率发生定向改变→生物朝一定方向缓慢进化。
教师总结：在自然选择的作用下，种群的基因频率会发生定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化。
物种的概念
教师：引导学生阅读课本内容，并提问物种的概念是什么？（在遗传学和生物进化论的研究中，把能够在自然状态下相互交配并且产生可育后代的一群生物称为一个物种。）
教师：展示马、驴和骡的图片，讲解马和驴交配产生骡，而骡是不可育的，因此它们存在生殖隔离。因此它们属于两个物种。
隔离及其在物种形成中的作用
1.物种的概念：能够在自然状态下相互交配并且产生可育后代的一群生物称为一个物种。
2、隔离
（1）概念：不同群体间的个体，在自然条件下基因不能自由交流的现象。
（2）种类：
①生殖隔离：不同物种之间一般是不能相互交配的，即使交配成功，也不能产生可育后代的现象。
例如马和驴交配产生不可育的螺，故马和驴为不同物种。
②地理隔离：同种生物由于地理障碍而分成不同的种群，使得种群间不能发生基因交流的现象。
③地理隔离和生殖隔离的联系
由于长期地理隔离而没有相互交配，没有基因交流，形成了生殖隔离，它们形成两个不同的亚种。
（3）隔离的作用
隔离使不同种群中的个体基因不能自由交换，种群基因库会逐渐形成差异，久而久之，就会出现生殖隔离。
（4）隔离的实质：种群间基因不能自由交流。
3、物种的形成
（1）物种形成的三个基本环节：
①突变和基因重组提供原材料
②自然选择使基因频率定向改变
③隔离是物种形成的必要条件
（2）物种形成的比较常见的方式
①渐变式（绝大多数）
新物种的形成是生物与环境相互影响相互作用的结果。
②爆发式
短时间内即可形成，如自然界中多倍体的形成。
③人工创造新物种
通过植物体细胞杂交（如番茄—马铃薯）、多倍体远缘杂交（如甘蓝—胡萝卜）、多倍体育种（如八倍体小黑麦）等方式也可以创造新物种。
（3）新物种的形成过程
4、物种形成和生物进化的比较
【板书】
6.3种群基因组成的变化
一、种群和种群基因库
二、种群基因频率的变化
三、自然选择对基因频率的影响
变异是不定向的→定向的自然选择使得种群中的不利变异被淘汰，有利变异逐渐激烈→种群基因频率发生定向改变→生物朝一定方向缓慢进化

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