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新人教版·必修二
第六章：生物的进化
第3节：种群基因组成的变化与物种的形成
问题探讨
先有鸡还是先有蛋？
甲同学
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
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。
问题探讨
讨论
你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
先
有
谁？
这两种观点都有一定的道理，但都不全面。
因为它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
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。
前言
自然选择直接作用的对象：生物的个体，而且是个体的表型。
骡子具有杂种优势，但不可育，它的基因不能传递给后代，在进化上没有贡献。
非洲象
个体的表型会随着个体的死亡而消失，决定表型的基因却可以随着生殖而世代延续。
骡子
种群是生物进化的基本单位
P110 种群基因组成的变化
种群和种群基因库
1. 种群的概念
生活在一定区域的同种生物全部个体的集合。
一片树林中的全部猕猴
一片草地上的所有蒲公英
一个培养皿中大肠杆菌
种群
生活在一定的自然区域内
同种生物
所有个体
三要素
种群和种群基因库
1. 种群的概念
种群中的个体并不是机械地集合在一起。一个种群其实就是一个繁殖单位，雌雄个体可以通过繁殖将各自的基因遗传给后代。
种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。
蝗虫的寿命不足1年，所有的蝗虫都会在秋风中死去，其中有些个体成功地完成生殖，在土壤中埋下受精卵。来年春夏之交，部分受精卵成功地发育成蝗虫。
种群和种群基因库
2. 种群基因库
A. 定义
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。
一个种群都有一个基因库，种群中每个个体所含有的基因只是基因库的一部分，个体一代代死亡，但基因库在代代相传中保留下来，并得到发展。
这些金鱼各自有自己的基因，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。个体数目越多，个体间的差异越大，基因库也就越大。
种群和种群基因库
2. 种群基因库
B. 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。
aa
AA
Aa
Aa
AA
Aa
AA
Aa
aa
Aa
基因频率
=
某基因的数目
该基因的等位基因的总数
×100%
种群和种群基因库
2. 种群基因库
C. 基因型频率
某种基因型个体占种群总数的比值。
aa
AA
Aa
Aa
AA
Aa
AA
Aa
aa
Aa
基因型频率
=
某基因型的个体
种群总数
×100%
种群和种群基因库
2. 种群基因库
例如：在某昆虫种群中，决定翅色为绿色的基因A，决定翅色为褐色的基因是a，调查发现AA、Aa、aa的个体分别占30%、60%和10%，那么A、a的基因频率是多少？
假设该种群数量为100，基因型AA的个体为30，Aa个体为60，aa个体为10，那么控制此性状的等位基因总数200个。
A基因数 = 2 30+60 = 120 个；
a基因数 = 2 10+60 = 80 个；
A基因的频率=
120
×100%
200
a基因的频率=
80
×100%
200
= 60%
= 40%
在种群中，一对等位基因的基因频率之和等于1，基因型频率之和也等于1。
种群和种群基因库
2. 种群基因库
例如：在某昆虫种群中，决定翅色为绿色的基因A，决定翅色为褐色的基因是a，调查发现AA、Aa、aa的个体分别占30%、60%和10%，那么A、a的基因频率是多少？
假设该种群数量为100，基因型AA的个体为30，Aa个体为60，aa个体为10，那么控制此性状的等位基因总数200个。
A基因数 = 2 30+60 = 120 个；
a基因数 = 2 10+60 = 80 个；
A基因的频率=
120
×100%
200
a基因的频率=
80
×100%
200
= 60%
= 40%
这一种群繁殖若干代以后，其基因频率会不会发生改变呢？
种群和种群基因库
思考·讨论
用数学方法讨论基因频率的变化
①种群非常大
②所有的雌雄个体间都能自由交配并产生后代
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
假设上述昆虫种群
根据孟德尔的分离定律计算：
1. 该种群产生的A配子和a配子的比值各是多少？
2. 子代基因型的频率各是多少？
3. 子代种群的基因频率各是多少？
种群和种群基因库
思考·讨论
用数学方法讨论基因频率的变化
将计算结果填入下表：
亲代基因型的频率 AA(30%） Aa（60%） aa（10%）
配子的比率
亲代产生配子总数 子一代基因型频率
子一代基因频率 A（30%）
A（30%）
a（10%）
a（30%）
A（60%）
a（40%）
AA（36%）
Aa（48%）
aa（16%）
A（60%）
a（40%）
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？
种群的基因频率会同子一代一样
种群和种群基因库
分析种群基基因频率和种群基因型频率之间的关系
A% = AA%+1/2Aa%
a% = aa%+1/2Aa%
A%+a% = 1
01
02
03
一对等位基因：
显性基因的频率 = 显性纯合子的频率 + 杂合子频率的一半
隐性基因的频率 = 隐性纯合子的频率 + 杂合子频率的一半
种群和种群基因库
总结
如果一个种群符合下列条件：
① 种群是极大的；
② 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；
③ 种群之间不存在个体的迁入和迁出；
④ 没有自然选择（不同个体生存和繁殖的机会是均等的）；
⑤ 没有突变发生；
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。
种群和种群基因库
思考·讨论
用数学方法讨论基因频率的变化
2. 上述计算结果使建立在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？
对于自然界的种群来说，这5个条件不可能都成立。例如，翅色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少些。
3. 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的频率使上升还是下降，要看这一突变对生物体是有益的还是有害的。
种群基因频率的变化
突变在自然界中是普遍存在的。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改变。
可遗传变异
提供
进化的原材料
基因突变
染色体变异
基因重组
突变
p112
种群基因频率的变化
我们知道，生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，那么，它为什么还能够作为生物进化的原材料呢？
① 种群是由许多个体组成的，每个个体的每一个细胞
内都有成千上万个基因，这样，每一代就会产生大
量的突变。
果蝇一组染色体上约有1.3 10 4个基因，假定每个基因的突变频率都为10-5，对一个中等大小的果蝇种群（约有108个个体）来说，每一代出现的基因突变数将是：
1.3×104×2×10-5×108 = 2.6×107（个）
种群基因频率的变化
我们知道，生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，那么，它为什么还能够作为生物进化的原材料呢？
② 突变的有害还是有利也不是绝对的，这往往取决于生物的
生存环境。
某海岛上无翅
残翅昆虫
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被海风吹到海里淹死。
种群基因频率的变化
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。
（突变和基因重组都是随机的、不定向的）
影响种群基因频率变化的因素
什么会引起种群基因频率发生定向改变，从而决定生物进化的方向？
p112
工业革命后
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
工业革命前
黑色
桦尺蛾
浅色
桦尺蛾
黑色
桦尺蛾
浅色
桦尺蛾
长满地衣的灰色树干
灰色（ss）桦尺蛾多
S频率低，s频率高
环境污染的黑色树干
黑色（S_）桦尺蛾多
S频率高，s频率低
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
【提出问题】
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？
【做出假设】
树皮黑褐色的环境下，黑色体色的桦尺蛾个体数量逐年增加，控制黑色的S基因频率逐年上升，而浅色体色的桦尺蛾由于不适应树皮黑褐色的环境，易被天敌发现，浅色体色的桦尺蛾个体数量逐年减少，控制浅色的s基因频率逐年下降（减少）。
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
【讨论探究思路】
通过创设数字化问题情境的方法来探究（其中数字是假设的）
1870年，桦尺蛾种群的基因型频率如下：SS 10%，Ss 20%，ss 70%。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是多少？基因频率是多少？
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
第1年 第2年 第3年 第4年 ··· ···
基因型频率 SS
Ss
ss
基因 频率 S
s
10 %
20 %
70 %
20 %
80 %
假设桦尺蛾种群个体总数为100个。
SS = 10个
Ss = 20个
ss = 70个
第二年
SS = 10 1.1=11个
Ss = 20 1.1=22个
ss = 70 0.9=63个
总数96个
SS频率=11/96=11.5%
Ss频率=22/96=22.9%
ss频率=63/96=65.6%
S频率=11.5%+1/2 22.9%=23%
s频率=65.6%+1/2 22.9%=77%
11.5 %
22.9 %
65.6%
23%
77%
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
第1年 第2年 第3年 第4年 ··· ···
基因型频率 SS
Ss
ss
基因 频率 S
s
10 %
20 %
70 %
20 %
80 %
11.5 %
22.9 %
65.6%
23%
77%
13.1 %
26 %
60.9%
26.1%
73.9%
14.7 %
29.2 %
56.1%
29.3%
70.7%
升高
下降
【分析结果，得出结论】
计算结果支持上述假设，在自然环境的选择作用下，该种群的S基因的频率逐年上升，控制浅色的s基因频率逐年下降，这说明自然选择可以使种群的基因频率发生定向改变。
种群基因频率的变化
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究·实践
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？
树干变黑会影响桦尺蛾种群中浅色个体的出生率。因为树干变黑后，浅色个体容易被发现，被捕食的概率增加，许多浅色个体可能在没有交配、产卵前就已被天敌捕食，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？
直接选择的是表型（体色），而不是基因型。因为天敌在捕食桦尺蛾时，看到的是桦尺蛾的体色而不是控制体色的基因。
种群基因频率的变化
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。
可遗传变异
各种变异类型
自然选择
种群基因频率定向改变
生物向着一定方向进化
提供
进化的原材料
决定
进化
方向
进化的实质
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
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
实验目的
P115
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
经过高温灭菌的牛肉膏蛋白胨液体培养基及固体培养基平板
细菌菌株（如大肠杆菌、金黄色葡萄糖球菌等）
含有抗生素（如青霉素、卡那霉素等）的圆形滤纸片（以下简称“抗生素纸片”）
不含抗生素的纸片
镊子，涂布器，无菌棉签，酒精灯，记号笔，直尺等。
材料用具
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
方法步骤
用记号笔在培养皿的底部画2
条相互垂直的直线，将培养皿分为4个区域，分别标记为①~④。
01
取少量细菌的培养液，用无
菌的涂布器（或无菌棉签）均匀地涂抹在培养基平板上。
02
1
2
3
4
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
方法步骤
用无菌的镊子先夹取1张不含
抗生素的纸片放在1号区域的中央，再分别夹取1张抗生素纸片放在②~④号区域的中央。盖上皿盖。
03
将培养皿倒置于37℃的恒温箱中培养12~16h。
04
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
方法步骤
观察培养基上细菌的生长状
况。纸片附近是否出现了抑菌圈 如果有，测量和记录每个实验组中抑菌圈的直径，并取平均值。
05
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，然后重复步骤2~5。如此重复几代，记录每一代培养物抑菌圈的直径。
06
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
结果和结论
结果：抗生素纸片周围出现抑菌圈，在连续培养几代后，抑菌圈的直径越来越小。
结论：说明抗生素对细菌产生了选择作用。
1
2
3
4
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
讨 论
1. 为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌
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。
2. 你的数据是否支持“耐药菌是普遍存在的”这一说法 说说你的理由。
支持。因为抑菌圈边缘生长的细菌可能是耐药菌。
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
讨 论
3. 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
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。
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
讨 论
4. 你认为你的数据和结论是有效的吗 (提示:将你的数据和结论与其
他同学的进行比较。)
由于细菌繁殖很快，耐药率的上升速度也较快，因此需要加强监控。我国卫生部门建立了相关检测机制，说明党和政府关注民生。医疗机构及时通报预警信息，有利于全国的医院机构共同及时采取措施，如更换新的抗生素类药物，将细菌耐药率控制在低水平。
种群基因频率的变化
探究抗生素对细菌的选择作用
讨 论
5. 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 请你查阅资料，举出更多滥用抗生素的实例。
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。
物种的概念
2. 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，也不能产生可育的后代，这种现象叫作生殖隔离。
马
驴
骡
马和驴虽然能够交配，但是产生的后代——骡是不育的，因此，马和驴之间存在生殖隔离，它们属于两个物种。
骡子为什么不可育？

p116
物种的概念
2. 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，也不能产生可育的后代，这种现象叫作生殖隔离。
马
驴
骡
骡子为什么不可育？
马和驴的染色体组不同，被产生的后代骡的细胞中没有同源染色体，在减数分裂时出现联会紊乱，不能形成可育配子。
2N=64
2N=62
63条染色体

隔离及其在物种形成中的作用
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。
1. 地理隔离
常见的地理障碍：
高山、河流、沙漠或其他地理上的障碍。
隔离
生殖隔离
地理隔离
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。
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。
什么样的联系？
隔离及其在物种形成中的作用
1. 地理隔离
在一个山谷中，有一个鼠种群“快乐”地生活着。，雌鼠和雄鼠之间可以自由交配，繁衍后代。后来由于地址和气候的变化，山谷中形成一条汹涌的大河。鼠种群的个体，一半在河这边，一半在河那边。就这样过了几千年。
后来，河流干涸了，两个鼠种群又相遇了。它们发现了彼此大不相同。它们之间还能繁殖后代吗？
地理隔离导致产生两个鼠种群的示意图
隔离及其在物种形成中的作用
2. 隔离在物种形成中的作用
加拉帕戈斯群岛的地雀
加拉帕戈斯群岛上的13种地雀都来自一群由南美洲迁来的地雀，经过长期的地理隔离和进化，逐渐演化而成。
隔离及其在物种形成中的作用
2. 隔离在物种形成中的作用
设想南美洲大陆的一种地雀来到加拉帕戈斯群岛后，先在两个岛屿上形成两个初始种群。这两个种群的个体数量都不多。他们的基因频率一样吗？
由于这两个种群的个体数量都不够多，基因频率可能是不一样的。
隔离及其在物种形成中的作用
2. 隔离在物种形成中的作用
(2) 不同岛屿上的地雀种群，产生突变的情况一样吗？
不一样，因为基因突变是随机的
(3) 对不同岛屿上的地雀种群来说，环境的
作用有没有差别？这对种群基因频率的
变化会产生什么影响？
不同岛屿的自然环境条件不一样，因此环境的作用会有差别，导致种群基因频率朝不同的方向改变。
隔离及其在物种形成中的作用
2. 隔离在物种形成中的作用
(4) 如果这片海域只有一个小岛，还会形成这么多种地雀吗？
不会，因为个体间有基因的交流。
隔离及其在物种形成中的作用
2. 隔离在物种形成中的作用
加拉帕戈斯群岛的地雀是说明通过地理隔离形成新物种的著名实例
地理隔离
出现不同的突变和基因重组
各个岛上的自然选择不同
不同种群基因频率朝着不同方向发生改变
不同种群的基因库形成明显的差异
逐步出现生殖隔离
新物种的形成
隔离是物种形成的必要条件。
长期的地理隔离会导致生殖隔离的出现。
生殖隔离是物种形成的标志。
隔离及其在物种形成中的作用
比较内容 生物进化 物种形成
标志
所需条件
二者的关系 种群基因频率改变
生殖隔离出现
可遗传变异
自然选择
可遗传变异
自然选择
隔离
① 生物进化时新物种形成的前提
② 新物种形成则说明生物发生了进化
3. 总结物种形成与生物进化

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