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第六章 生物进化
第3节:种群基因组成的变化与物种的形成(1)
种群基因组成的变化与物种的形成
种群和种群基因库
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
01
02
03
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。
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选择下定向改变的过程，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生殖细胞成为一个新物种。
问题探讨
你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
种群和种群基因库
一
情境一
英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蠖，它们夜间活动，白天栖息在树干上。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，曼彻斯特地区的树干上长满了浅色的地衣，桦尺蛾几乎都是浅色型的，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，到了20世纪中叶，黑色型的桦尺蛾却成了常见的类型，
长满地衣的树干上的桦尺蠖
黑色树干上的桦尺蠖
(2)达尔文的自然选择学说基础上发展起来的现代生物进化理论,关于自然选择作用等问题的研究,已经从以生物个体为单位,发展到以______为基本单位。
阅读P110找出种群、基因库、基因频率的概念：
【任务1】
(1)20世纪中期，该种群的全部个体所含有的全部基因统称为种群的______。
基因库
种群
生活在一定区域的同种生物全部个体的集合叫作种群。
种群是繁殖的基本单位，也生物进化的基本单位。
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是一个种群
1.种群的概念及特点
(1)定义：
(2)举例：
(3)特点：
一个种群中全部个体所含有的全部基因，叫作这个种群的基因库。
一个种群所有个体各自有自己的基因，共同构成了种群的基因库。它们各自的基因都是基因库的一部分。个体间的差异越大，基因库也就越大。
2.基因库和基因频率
(1)基因库:
(2)基因频率：
在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因数的比值。
基因频率=
某基因的数目
该基因的等位基因的总数
× 100%
(3)基因型频率：
在一个种群基因库中，某个基因型的个体占个体总数的比值。
在桦尺蠖种群中，决定体色为黑色的基因是S，决定体色为浅色的基因是s，从这个种群中随机抽取100个个体，测得基因型为SS、Ss和ss的个体分别是30、60和10个，
情境二
【任务2】
求S和s的基因频率？
求SS、Ss、ss基因型频率？
找出基因频率和基因型频率之间的关系？
分析教材P111某昆虫基因型频率、基因频率相关计算，回答：
A基因的基因频率为:
a基因的基因频率为：
= 40%
A%=
×100%
2×AA＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
a%=
基因频率 =
该基因的数目
该基因的等位基因的总数
×100%
= 60%
2×aa＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
×100%
总结：在种群中，一对等位基因的基因频率之和等于1
×100% =
A
A＋a
×100% =
a
A＋a
方法一：概念法
3.基因频率的计算方法
AA的基因型频率为:
aa的基因型频率为：
= 10%
AA%=
×100%
AA
AA＋Aa＋aa
aa%=
= 30%
aa
AA＋Aa＋aa
×100%
Aa的基因型频率为：
= 60%
Aa%=
Aa
AA＋Aa＋aa
×100%
基因型频率=
该基因型的个体
种群的总数
× 100%
方法二：通过基因型频率计算
3.基因频率的计算方法
①A基因频率 = AA的基因型频率+1/2Aa基因型频率
②a基因频率 = aa的基因型频率+1/2Aa基因型频率
总结
③在种群中，一对等位基因的基因型频率之和也等于1。
情境三
【任务3】
分析教材P111某昆虫基因型频率、基因频率相关计算，回答：
假设桦尺蠖生活在理想的环境下：
①昆虫种群数量非常大；
②所有的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代；
③没有迁入和迁出；
④不同翅色的个体生存和繁殖的机会是均等的；
⑤基因A和a都不产生突变。
亲代基因型的频率 AA（30%） Aa（60%） aa（10%）
配子的比率 A（ ） A( ) a( ) a( )
子一代基因型频率 AA（ ） Aa( ) aa( )
子一代基因频率 A（ ） a( ) 子二代基因型频率 AA（ ） Aa( ) aa( )
子二代基因频率 A（ ） a( ) 30%
30%
30%
10%
36%
48%
16%
60%
40%
36%
48%
16%
60%
40%
用数学方法讨论基因频率的变化
思考 讨论
(1)该种群产生的A配子和a配子的比值各是多少 子代基因型的频率各是多少 子代种群的基因频率各是多少
(2)根据计算结果，想一想子二代、子三代以及若干代以后，种群的基因频率会同子一代一样吗？
子二代、子三代以及若干代以后，种群的基因频率与子一代一样。
用数学方法讨论基因频率的变化
思考 讨论
(3)上述计算结果是建立在5个假设条件基础上的。对自然界的种群来说，这5个条件都成立吗 你能举出哪些实例
对自然界的种群来说，这5个条件不可能同时都成立。例如，体色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少些。
(4)如果该种群出现新的突变型(基因型为A2a或A2A2)，也就是产生新的等位基因A2,种群的基因频率会发生变化吗 基因A2的频率可能会怎样变化
突变产生的新基因会使种群的基因频率发生变化。基因A2的频率是上升还是下降，要看这一突变对生物体是有益的还是有害的。
如果一个种群符合下列条件：
种群是极大的；
种群个体间都能自由交配并产生后代，种群中每个个体与其他个体的交配机会是相等的；
种群之间不存在个体的迁入和迁出或基因交流；
没有自然选择（不同个体生存和繁殖的机会是均等的）；
没有突变发生；
4.遗传平衡定律
那么这个种群的基因频率就可以一代代稳定不变，保持平衡。这就是遗传平衡定律，也称哈代—温伯格平衡。
在满足上述5个条件的前提下：若种群中一对等位基因分别为A和a，设A的基因频率=p，a的基因频率=q，那么遗传平衡定律可以写成：
∵ (p＋q) = A%+a% = 1
∴ (p+q) 2 = p2+2pq+q2 = AA%+Aa%+aa% = 1
遗传平衡所指的种群是理想的种群,在自然条件下,这样的种群是不存在的
AA基因型频率=p2；
aa基因型频率=q2；
Aa基因型频率=2pq。
A（p） a( q )
A（ p） AA（p2） Aa(pq)
a ( q ) Aa（pq） aa(q2)
雌配子
雄配子
F1基因型频率
4.遗传平衡定律
1.一个随机交配的足够大的种群中，某一相对性状(由基因A、a控制)中显性性状的基因型的频率是0.36，则( )
A.该种群繁殖一代后杂合子(Aa)的基因型频率是0.32
B.显性基因的基因频率大于隐性基因的基因频率
C.若该种群基因库中的基因频率发生变化，说明一定发生了基因突变
D.若该种群中A基因的频率为0.4，则表现为A基因所控制的性状的个体在种群中占40%
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
A
2.下列关于基因库的描述，错误的是( )
A.基因库是一个种群的全部个体所含的全部基因
B.生物个体总是要死亡的，但基因库却因种群个体的繁殖而代代相传
C.种群中每个个体都含有种群基因库中的全部基因
D.基因突变可能改变基因库的组成
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
C
3.现有一个由AA、Aa、aa三种基因型个体组成的动物种群，已知该种群中具有繁殖能力的个体之间通过随机交配进行繁殖，而aa个体不具有繁殖能力。该种群繁殖一代，若子代中AA∶Aa∶aa＝9∶6∶1，则亲代中AA、Aa和aa的数量比可能为( )
A.4∶3∶4
B.5∶5∶1
C.6∶2∶3
D.4∶1∶4
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
B
种群基因频率的变化
二
1.种群基因频率的变化原因
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。
可遗传的变异
变异
不可遗传的变异
基因突变
染色体变异
基因重组
突变
(提供生物进化的原材料)
举例：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，对一个中等大小的种群（约有108个个体）来说，每一代出现的基因突变数将是：
2×1.3×104×10－5×108＝2.6×107（个）
基因突变是自然界中普遍存在的。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。在自然情况下，突变的频率是很低的，且多数是有害的，对生物的进化有重要意义吗？
突变
基因重组
新的等位基因
多种多样的基因型
形成了进化的原材料,
不能决定生物进化的方向
作用
种群中出现大量可遗传的变异
形成
变异是随机的不定向的
特点
2.可遗传变异的形成、特点和作用
①突变（基因突变和染色体变异）和基因重组产生进化的原材料
②突变的有利和有害也不是绝对的，往往取决于生物的生存环境。
总结
长满地衣的树干上的桦尺蠖
黑色树干上的桦尺蠖
基因类型 黑色（S） 浅色（s）
工业革命前 （19世纪中叶） 5% 95%
工业革命后 （20世纪中叶） 95% 5%
每一代都会产生大量的突变个体，且大多数突变对生物体是有害的。突变的有利与有害是相对的而不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。
情境四
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
桦尺蛾种群中s基因（决定浅色性状）的频率为什么越来越低呢
黑褐色的生活环境，不利于浅色桦尺蛾的生存，对黑色桦尺蛾生存有利，这种环境的选择作用使该种群的s基因的频率越来越低，即自然选择可以使种群的基因频率发生定向改变。
假设1870年,桦尺蛾种群的基因型频率为：SS10%，Ss20%，ss70%,S基因的频率为20%,假如树干变黑使得浅色型个体每年减少10%,黑色个体增加10%,在第2～10年间,该种群的基因型频率是多少？每年的基因频率是多少？
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
思考 讨论
1.提出问题
2.作出假设
3.讨论探究思路
(1)创设数字化的问题情境。
(2)计算，将计算结果填入表中。
第1年 第2年 第3年 第4年 ……
基因型 频率 SS 10% 11.5%
Ss 20% 22.9%
ss 70% 65.6%
基因频率 S 20% 23%
s 80% 77%
70.7%
26.0%
29.3%
14.6%
56.1%
60.9%
26.1%
73.9%
29.3%
13.1%
升高
降低
假如树干变黑使得浅色型个体每年减少10%，黑色个体每年增加10%。
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
思考 讨论
4.制定并实施研究方案
根据教材P112～113“探究·实践”提供的资料，回答下列问题：
会影响。因为树干变黑后，许多浅色个体可能在没有交配、产卵前就已被天敌捕食，导致其个体数减少，影响出生率。
(2)在自然选择过程中，直接受选择的是基因型还是表型？为什么？
直接受选择的是表型。因为天敌看到的是桦尺蛾的体色(表型)而不是控制体色的基因。
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
思考 讨论
(1)树干变黑会影响桦尺蛾种群中浅色个体的出生率吗？为什么？
(3)根据表格中的数据分析，桦尺蛾种群发生进化了吗？判断的依据是什么？
发生了进化。依据是桦尺蛾种群的基因频率发生了改变。
(4)根据资料分析，决定桦尺蛾进化方向的是什么？为什么？
自然选择。因为在自然选择的作用下，具有有利变异的个体有更多机会产生后代，种群中相应基因的频率会不断提高；相反，具有不利变异的个体保留下来的机会少，相应基因的频率会下降。
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
思考 讨论
第1年 第2年 第3年 第4年 ……
基因型 频率 SS 10% 11.5%
Ss 20% 22.9%
ss 70% 65.6%
基因频率 S 20% 23%
s 80% 77%
70.7%
26.0%
29.3%
14.6%
56.1%
60.9%
26.1%
73.9%
29.3%
13.1%
升高
降低
S（深色）基因的频率逐渐上升，s（浅色）基因的频率逐渐下降；在黑色背景下，浅色桦尺蛾被天敌发现和捕食的几率大于黑色的桦尺蛾，但不影响桦尺蛾的生存和繁殖，直接受选择的是表型。
在自然选择的作用下，可以使基因频率发生定向改变，决定生物进化的方向。
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
思考 讨论
5.分析结果
6.得出结论
①外因: 。
②内因: 。
自然选择
基因突变和部分染色体变异如缺失和重复等能直接引起基因频率变化
3.有关基因频率与进化的分析和总结
(2)自然选择决定生物进化的方向
(1)影响种群基因频率变化的因素
不定向变异
自然选择通过生存斗争实现
不利变异(基因)
有利变异(基因)
被淘汰
多次选择和积累，通过遗传
种群的基因频率定向改变
生物定向进化
(3)进化的实质是种群基因频率的改变。
①变异是不定向的。②自然选择是定向的。
③种群基因频率的变化是定向的。④生物进化的方向是定向的。
(4)进化中的定向与不定向
1.下列关于基因频率与生物进化关系的叙述，正确的是( )
A.种群基因频率的改变不一定引起生物的进化
B.生物进化的实质是种群基因频率的改变
C.只有在新物种形成时，才发生基因频率的改变
D.生物性状的改变一定引起生物的进化
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
B
2.在19世纪中叶以前，英国曼彻斯特地区的桦尺蛾几乎都是浅色型(ss)的，随着工业的发展，工厂排出的煤烟逐渐将树皮熏成黑褐色，到了20世纪中叶，黑色型(S_)的桦尺蛾成了常见类型。下列与此相关的叙述正确的是( )
A.自然选择的方向发生了改变，所以自然选择是不定向的
B.桦尺蛾种群进化过程中接受选择的是各种基因型的个体
C.该地区桦尺蛾种群进化过程中Ss的基因型频率不会改变
D.长时间的环境污染导致s基因定向突变成S基因
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
B
探究抗生素对细菌的选择作用
三
一般情况下，一定浓度的抗生素会杀死细菌，但变异的细菌可能产生耐药性。在实验室连续培养细菌时，如果向培养基中添加抗生素，耐药菌有可能存活下来。
通过观察细菌在含有抗生素的培养基上的生长状况，探究抗生素对细菌的选择作用。
实验原理
目的要求
实验步骤
结果分析
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
实验原理
目的要求
实验步骤
结果分析
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
①培养皿分区、标号。
③将不含抗生素的纸片和含抗生素纸片分别放在平板的不同位置
②涂布平板。
④将培养皿倒置于37 ℃的恒温箱中培养12~16 h。
⑤观察细菌的生长状况，是否有抑菌圈？测量并记录。
⑥从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌，接种到已灭菌的液体培养基中培养。重复步骤②~⑤。
实验原理
目的要求
实验步骤
结果分析
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
在培养基上有细菌生长，在放有抗生素纸片的区域无细菌生长。连续培养几代后，抑菌圈的直径会变小。
(1)为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？
(2)在本实验的培养条件下，耐药菌所产生的变异是有利还是有害的？你怎么理解变异是有利还是有害的？
抗生素能够杀死细菌，在抑菌圈边缘抗生素浓度较低，可能存在具有耐药性的细菌，因此要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌。
在本实验条件下，耐药菌产生的变异一般来说是有利的。有利于生物在特定环境中生存和繁殖的变异，在此环境中就是有利变异。
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
根据教材P115“探究·实践”，回答下列问题：
(3)滥用抗生素的现象十分普遍。例如，有人生病时觉得去医院很麻烦，就直接吃抗生素；有的禽畜养殖者将抗生素添加到动物饲料中。你认为这些做法会有什么后果？
滥用抗生素会使病菌的抗药基因不断积累，抗药性不断增强，导致抗生素药物失效。
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
“探究抗生素对细菌的选择作用”实验的相关分析
(1)抗生素不是诱变因子，因此细菌耐药性变
异的产生与抗生素无关。
(2)细菌产生耐药性变异的过程属于基因突变
，而基因突变具有不定向性。
(3)滤纸片上的抗生素杀死了其周围的细菌，
使其不能形成菌落而出现抑菌圈。
探究抗生素对细菌的选择作用
探究 实践
1.一般情况下，一定浓度的抗生素会杀死细菌，但变异的细菌可能产生耐药性。下列关于“探究抗生素对细菌的选择作用”实验的说法中，错误的是( )
A.放置不含抗生素的纸片起对照作用
B.在本实验条件下，细菌产生耐药性的变异是有利变异
C.从抑菌圈边缘的菌落挑取细菌继续培养，重复几代，抑菌圈的直径会逐渐增大
D.本实验说明抗生素对细菌有选择作用
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
C
2.随着全球范围内抗生素的广泛和大量使用，抗药细菌不断出现，它可以通过多种途径对抗生素产生抗性，抗生素在不久的将来有可能成为一堆废物。请分析抗生素对细菌抗药性的产生所起的作用( )
A.抗生素的不断使用，使细菌逐渐适应而产生抗药性
B.细菌的变异是不定向的，抗生素对细菌进行了定向选择
C.细菌的变异是定向的，抗生素对细菌进行了定向选择
D.抗生素使细菌产生了定向变异
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
对点训练
课堂检测
B
本节小结
种群基因组成的变化
种群是生物进化的基本单位
突变和基因重组产生进化的原材料
自然选择决定生物进化的方向
基因频率与基因型频率
概念
与进化的关系
相关计算

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