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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
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。
你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
【答案】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。
种群基因组成的变化
自然选择直接作用的是生物的个体，而且是个体的表型。但是，在自然界，没有哪个个体是长生不死的，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，并且在群体中扩散。
研究生物的进化，仅研究个体和表型是不够的，还必须研究群体基因组成的变化。
2、种群
一、种群基因组成的变化
1、物种
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，简称“种”。
（1）概念：生活在一定区域的同种生物全部个体的集合。
（2）特点：是生物繁殖和进化的基本单位,彼此可以交配，并通过繁殖讲各自的基因传给后代。
一片树林中的全部猕猴
一片草地上的所有蒲公英
一个非洲象种群（部分个体）
一、种群和种群基因库
同一区域（区域可大可小，大到地球，小的可以是一个池塘）
同一物种的生物
全部个体
种群的三个要素
判断下列是否属于种群：
（1）一个池塘中的全部的鱼 （2）一个池塘中的全部鲤鱼
（3）两个池塘内的全部青蛙 （4）一片草地上的全部植物
（5）一片草地上的成年梅花鹿 （5）一块朽木上的全部真菌
否
是
否
否
否
思考？
否
一、种群和种群基因库
3. 种群基因库
一个种群中全部个体所含有的全部基因叫这个种群的基因库。
4. 基因频率
在基因库中，某基因占控制此性状全部等位基因数的比率叫做基因频率。
5. 基因型频率
在一个种群中，某基因型个体占全部个体的比率。
例1：某昆虫种群中决定翅色为绿色的基因为A，决定翅色为褐色的基因为a，从种群中随机抽出100个个体，测知基因型为AA、Aa和aa的个体分别是30、60和10个。那么A和a的基因频率是多少？
A基因频率为:
a基因频率为：
= 40%
A% =
×100%
2×AA＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
a% =
= 60%
2×aa＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
×100%
方法一：概念法：
方法二：通过基因型频率计算
A基因频率 = AA的基因型频率+1/2Aa基因型频率
A基因频率= 30%+1/2×60% = 60%
a基因频率 = 10%+1/2×60% = 40%
AA基因型频率为: 30%
Aa基因型频率为: 60%
aa基因型频率为: 10%
a基因频率 = aa的基因型频率+1/2Aa基因型频率
① 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。
② 一个基因的频率=该基因纯合子的基因型频率+1/2杂合子的基因型频率
b基因频率= ×100%
例2、在调查红绿色盲时，随机抽查了200人，其中男女各100人。女性患者1人，携带者3人，男性患者4 人。色盲基因的频率为多少？
Xb =
1×2+3+4
100×2+100
×100% =
3%
基因频率=
某基因的数目
控制该性状的等位基因总数
× 100%
学法 93 归纳总结
完成学法92 典例1-典例2 -对点练 1
新代基因型的频率 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 A ( ) a( ) 30%
30%
30%
10%
36%
48%
16%
60%
40%
36%
48%
16%
60%
40%
一、种群和种群基因库
假设上述昆虫种群数量非常大，所有的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代，没有迁入和迁出，不同翅色的个体生存和繁殖的机会是均等的，基因A和a都不产突变，根据孟德尔的分离定律计算。
用数学方法讨论基因频率的变化
6. 遗传平衡定律（哈代－温伯格定律）
一、种群和种群基因库
6. 遗传平衡定律（哈代－温伯格定律）
当群体满足以下五个条件：
①昆虫群体数量足够大； ②全部的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代； ③没有迁入与迁出； ④自然选择对性状没有作用； ⑤基因A和a都不产生突变
设A的基因频率为p，a的基因频率为q；则有p+q=1，那么
种群的基因频率将不会改变
(p+q)2 = p2 + 2pq + q2 ＝ 1
AA=p2 Aa=2pq aa=q2
A（p） a( q )
A（ p） AA（p2） Aa(pq)
a ( q ) Aa（pq） aa(q2)
二、种群基因频率的变化
2. 上述计算结果是建立在5个假设条件基础上的。5个条件为：①昆虫群体数量足够大； ②全部的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代； ③ 没有迁入与迁出； ④ 自然选择对性状没有作用 ⑤ 基因A和a都不产生突变。 对自然界的种群来说，这5个条件都成立吗？
用数学方法讨论基因频率的改变
遗传平衡所指的种群是理想种群，在自然条件下，这样的种群是不存在的。这说明在自然界中，种群的基因频率迟早要发生变化，也就是说种群的进化是必然的。
二、种群基因频率的变化
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。
思考：基因突变是普遍存在的，但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？
【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
个体（2.6×10-1）
× 108
种群
=2 .6×107（个）
影响种群基因频率变化的因素
① 突变
基因突变
染色体变异
二、种群基因频率的变化
影响种群基因频率变化的因素
影响种群基因频率变化的因素
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。
猫由于基因重组而产生的毛色变异
② 基因重组
二、种群基因频率的变化
影响种群基因频率变化的因素
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。
某海岛上残翅和无翅的昆虫
③ 生物的生存环境
二、种群基因频率的变化
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的频率是增加还是减少，要看这一突变对生物体是有益还是有害的，这往往取决于生物生存的环境。
影响基因频率的因素：
基因突变、基因重组和自然选择。
突变和重组都是不定向的、随机的，那么，种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？
三、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。
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
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%
29.2%
14.7%
56.1%
60.9%
26.1%
73.9%
29.3%
13.1%
升高
降低
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？
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？
3.桦尺蛾种群中s基因的频率为什么越来越低？
英19世纪曼彻斯特
英20世纪曼彻斯特
S（黑色）基因频率：
5%以下 95%以上
影响基因频率的因素：
基因突变、基因重组和自然选择。
生物进化的实质就是：
种群是生物进化的单位，也是生物繁殖的单位。
生物进化 = 种群基因频率变化
种群基因频率发生变化的过程。
淘汰不利变异基因、积累有利变异基因。
知识海洋
自然选择对种群基因频率变化的影响
原因
结果
使基因频率定向改变。
　　种群中产生的变异是（ ）的，经过长期的自然选择，其中不利变异被不断淘汰，有利变异逐渐（ ），从而使种群的基因频率发生（ ）改变，导致生物朝向一定方向进化。可见，生物进化的方向是由（ ） 决定的。
不定向
积累
定向
自然选择
　　种群中产生的变异（ ）。
　　自然选择方向（　　　）。
不定向
定向
　　自然选择决定生物进化的方向。
应用探究
课堂练习
1．从基因水平看，生物进化的过程就是种群基因频率发生定向改变的过程。判断下列相关表述是否正确。
（1）某地区红绿色盲患者在男性中约占8%，在女性中约占0.64%，由此可知，红绿色盲基因Xb的基因频率约为8%。（ ）
（2）基因频率变化是由基因突变和基因重组引起的，不受环境的影响。（ ）
（3）生物进化的实质是种群基因频率在自然选择作用下的定向改变。（ ）
√
X
√
课堂练习
2．种群是物种在自然界的存在形式，也是一个繁殖单位。下列生物群体中属于种群的是（ ）
A．一个湖泊中的全部鱼
B．一片森林中的全部蛇
C．一间屋中的全部蟑螂
D．卧龙自然保护区中的全部大熊猫
D
课堂练习
3．某一瓢虫种群中有黑色和红色两种体色的个体，这一性状由一对等位基因控制，黑色(B)对红色(b)为显性。如果基因型为BB的个体占18%，基因型为Bb的个体占78%，基因型为bb的个体占4%。基因B和b的频率分别为（ ）
A．18%、82% B．36%、64%
C．57%、43% D．92%、8%
C
课堂练习
4．一只果蝇的突变体在21℃的气温下，生存能力很差，但是，当气温上升到25.5℃时，突变体的生存能力大大提高。这说明（ ）
A．突变是不定向的
B．突变是随机发生的
C．突变的有害或有利取决于环境条件
D．环境条件的变化对突变体都是有害的
C
探究抗生素对细菌的选择作用
实验原理
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。
目的要求
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。
1、用记号笔在培养皿的底部画线，将培养基分为四个区，标号
2、将细菌涂布在培养基平板上
3、①号区域的中央放置不含抗生素纸片和②③④号区域的中央分别放置含有抗生素的纸片
4、将培养皿倒置于37℃的恒温箱中培养12~16h
探究抗生素对细菌的选择作用
实验步骤
实验过程：
5、观察并测量抑菌圈直径,并取平均值
6、从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌培养，并重复以上步骤
探究 实践
探究抗生素对细菌的选择作用
实验步骤
实验过程：
探究 实践
探究抗生素对细菌的选择作用
实验结果和结论：
抗生素对细菌有选择作用，抗生素对细菌抑制作用越来越弱。
抑菌圈直径/cm 第一代 第二代 第三代
1 2.26 1.89 1.62
2 2.41 1.91 1.67
3 2.42 1.87 1.69
平均值 2.36 1.89 1.66
组别
1、为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？
有利的，基因突变具有随机性和不定向性，有利或有害取决于所处的环境条件。
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、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？
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。
第3节 种群基因组成的变化与物种的形成
二 隔离在物种形成中的作用
一、物种的概念
1. 物种是指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。
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。
同种生物的不同种群，由于突变和选择因素的不同，其基因组成可能会朝不同的方向改变，导致种群间出现形态和生理上的差异。
马
驴
骡子
它们是同一个物种吗？
＋
一、物种的概念
孔雀和巨嘴鸟是同一个物种吗？
不是，它们不能互相交配。
二、隔离及其在物种形成中的作用
在自然界，是不是同一物种的个体都生活在一起呢？
不是，由于高山、河流、沙漠或其他地理上的障碍，每一个物种总是被分成一个一个或大或小的群体，这些群体就是不同的种群。例如，两个池塘里的鲤鱼就是两个种群。
二、隔离及其在物种形成中的作用
隔离
①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。
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，也不能产生可育后代的现象。
隔离：
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。
二、隔离及其在物种形成中的作用
东北虎
华南虎
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。
隔离在物种形成中的作用
二、隔离及其在物种形成中的作用
二、隔离及其在物种形成中的作用
问题1
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。
问题2
不一样。因为突变是随机发生的。
问题3
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着不同的方向改变。
问题4
不会。因为个体间有基因的交流。
加拉帕戈斯群岛的地雀的形成方式
同一物种
地理隔离，阻隔基因交流
突变、基因重组
种群基因库出现明显差异
新物种
自然选择，基因频率发生改变
生殖隔离，新物种形成的标志
总结归纳
1. 隔离包括地理隔离和生殖隔离。
2. 长期的地理隔离会导致生殖隔离的出现。
3. 生殖隔离是物种形成的标志。
4. 隔离是物种形成的必要条件。
自然选择2
自然选择1
地理隔离
5. 物种形成的比较常见的方式：
原种
变异1
变异2
基因频率的定向改变
变异类型1
变异类型2
新物种
新物种
生殖 隔离
二、隔离及其在物种形成中的作用
新物种的形成是生物与环境相互影响相互作用的结果。
① 渐变式（绝大多数）
5. 物种形成的比较常见的方式：
二、隔离及其在物种形成中的作用
② 爆发式
短时间内即可形成，如自然界中多倍体的形成。
爆发式物种的形成方式
物种A
杂种植物
异源多倍体
杂交
染色体
加倍
物种B
　　通过植物体细胞杂交（如番茄—马铃薯）、多倍体育种（如八倍体小黑麦）等方式也可以创造新物种。
知识海洋
（3）人工创造新物种
1. 物种形成的三种方式
物种形成和生物进化的比较
物种形成 生物进化
标志 生殖隔离出现 基因频率改变
变化后生物与原生物的关系 属于不同物种 可能属于同一物种；
也可能属于不同物种
二者联系 只有不同种群的基因库产生了明显的差异，出现生殖隔离才形成新物种； 进化不一定产生新物种，但新物种产生的过程中一定存在进化
课堂练习
1．判断下列与隔离有关的表述是否正确。
（1）在曼彻斯特的桦尺蛾种群中，黑色个体与浅色个体之间未出现生殖隔离。（ ）
（2）加拉帕戈斯群岛不同岛屿上的地雀种群之间犹豫地理隔离而逐渐形成了生殖隔离。（ ）
√
√
课堂练习
2．19世纪70年代，10对原产于美国的灰松鼠被引入英国，结果在英国大量繁殖、泛滥成灾。对生活在两国的灰松鼠种群，可以作出的判断是（ ）
A．两者尚未形成两个物种
B．两者的外部形态有明显差别
C．两者之间已经出现生殖隔离
D．两者的基因库向不同方向改变
D
二、拓展应用
1. 斑马的染色体数为22对，驴的染色体数为31对，斑马和驴杂交产生的后代兼具斑马和驴的特征，称为斑驴兽或驴斑兽，俗称“斑驴”。斑马和驴杂交产生的后代是可育的吗？你能从染色体组的角度作出解释吗？
【答案】斑马和驴杂交产生的后代是不育的。由题中所给斑马和驴的染色体数可知，其杂交后代的染色体数为53条（不是偶数），杂交后代无法通过减数分裂产生正常的配子。
2. 在自然界，狮和虎是不可能相遇的。在动物园里，一般也将这两种动物分开圈养。近年来才出现将它们的幼崽放在一起饲养的做法，目的是获得有观赏价值的杂交后代——狮虎兽或虎狮兽，你对这种做法有什么看法？
【提示】学生可以从不同角度提出看法并交流。例如，从科学研究角度看，这样做可以帮助人们更多地了解生命的奥秘；从生命伦理角度看，狮虎杂交后代中容易出现免疫力低、天折的个体，这些个体会承受一定的痛苦，因此这种做法不宜提倡；从生物学角度看，狮和虎的自然分布区不同，狮分布在草原上，虎分布在森林里，动物园饲养狮和虎时，应尽量提供符合它们天然分布区和习性特点的生活环境，将二者分区域饲养，以体现对自然和生命的尊重。
三、课堂小结
谢谢
让课堂绽放魅力 让教育更加美好

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