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6.3 种群基因组成的变化-1
新教材 人教版 必修二
【教学过程】
Teaching Process
1.概念图
3.教学总结、综合
2.课堂教
学内容
4.课堂练习巩固
典型习题
规律总结
种群基因频率的变化
自然选择
种群和种群基因库
问题探讨
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。
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。
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
aa
表型
思考1：自然选择的直接作用对象是基因型还是表型？
A
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
种群
思考2：生物进化的基本单位是个体还是种群？
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
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。
①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。
种群中的个体并不是机械地集合在一起，而是彼此可以交配实现基因交流，并通过繁殖将各自的基因遗传给后代。
两个要素：“同种”和“全部”
两个条件：“时间”和“空间”
两个基本单位：“生物繁殖的基本单位”和“生物进化的基本单位”
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（1）种群和种群基因库
种群是可进行基因交流的群体，是生物繁殖与进化的基本单位。
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。
B.大小：种群中基因总数越多，基因库越大，与基因种类无关。
A
A
A
a
a
a
a
a
a
a
A
a
a
A
a
a
某昆虫决定翅色的基因频率
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（1）种群和种群基因库
③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%
A
A
A
a
a
a
a
a
a
a
A
a
a
A
a
a
某昆虫决定翅色的基因频率
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（1）种群和种群基因库
基因型频率=
某基因型个体总数
种群全部个体数
×100%
例如：某昆虫种群中，绿色翅的基因为A, 褐色翅的基因位a，调查发现AA、Aa、aa的个体分别占30%、60%、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=60﹢2×10=80个
A基因的频率=
=
60%
a基因的频率=
=
40%
A.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。
B.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
A
A
A
a
a
a
a
a
a
a
A
a
a
A
a
a
某昆虫决定翅色的基因频率
③基因频率
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（1）种群和种群基因库
1.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。
(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？
(4)将计算结果填入下表，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？
亲代基因型比值 AA(30%) Aa(60%) aa(10%)
配子的比值 A( ) A( ) a( ) a( )
子代基因型频率 AA( ) Aa( ) aa( )
子代基因频率 A( ) a( ) 1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
思考·讨论：用数学方法讨论基因频率的改变
亲代 子一代 子二代 子三代
基因型频率 AA 30%
Aa 60%
aa 10%
基因频率 A 60%
a 40%
36%
48%
16%
60%
40%
36%
16%
48%
60%
60%
40%
40%
36%
48%
16%
遗传平衡定律（哈代－温伯格定律）
各代基因频率相同吗？基因型频率相同吗？这有什么前提条件吗？
各代基因频率相同。基因型频率从子一代开始保持不变。需要满足上述5个前提条件。
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
思考·讨论：用数学方法讨论基因频率的改变
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
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
思考·讨论：用数学方法讨论基因频率的改变
遗传平衡定律（哈代－温伯格定律）
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？
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。
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
思考·讨论：用数学方法讨论基因频率的改变
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？
基因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。
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
思考·讨论：用数学方法讨论基因频率的改变
可遗传变异提供了生物进化的原材料。其来源分为突变和基因重组。
①可遗传变异：
☆突变包括基因突变和染色体变异。
可遗传变异的来源
突变
基因重组
基因突变
染色体变异
普通个体
变异个体
进化的原材料
某种自然选择
自然选择之后的个体
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（2）种群基因频率的变化
生物自发突变的频率很低，且大多数突变对生物体是有害的，它为何还能作为生物进化的原材料呢？
例如：果蝇约有104对基因，假定每个基因的突变率都是10-5，若有一个中等数量的果蝇种群（约有108个个体），那么每一代出现基因突变数是多少呢？
2 × 104 × 10-5
个体
× 108
种群
= 2 × 107
②基因突变的多害少利性：
由此可见，虽然基因突变频率很低，但放到种群中每一代都会有可观的变异量，虽然大多数都是有害的，但是总会出现一些更适应环境的变异，在自然选择过程中被保留下来并逐代积累。
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（2）种群基因频率的变化
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
（2）种群基因频率的变化
甲种自然选择
甲种自然选择
乙种自然选择
各种类型的变异
（原材料）
（第一次选择）
（第二次选择）
（第三次选择）
环境改变
长翅
残翅
更适应风小环境
更适应大风环境
思考4：突变的多害少利是绝对的吗？
不是绝对的，“利”和“害”都是相对于环境而言的。
思考5：种群基因频率的改变是否也是不定向的？
（3）自然选择对种群基因频率变化的影响
探究.实践: 探究自然选择对种群基因频率变化的影响
①现象
长满地衣的灰色树干
工业革命前
灰色(ss)桦尺蛾多
S频率低，s频率高
黑色
桦尺蛾
浅色桦尺蛾
工业革命后
环境污染的黑色树干
黑色(S_)桦尺蛾多
S频率高，s频率低
黑色
桦尺蛾
浅色桦尺蛾
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
②提出问题
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
③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)。
（3）自然选择对种群基因频率变化的影响
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究自然选择对种群基因频率变化的影响
④探究思路
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%。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
频率 第1年 第2年 第3年 第4年 ……
基因型频率 SS 10%
Ss 20%
ss 70%
基因 频率 S 20%
s 80%
一.种群基因组成的变化与物种的形成
第一年：
取100个个体
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
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%+ ×22.9%=23%
s频率=65.6%+ ×22.9%=77%
计算结果保留一位小数
一.种群基因组成的变化与物种的形成
第二年：
取100个个体
SS=11.5个
Ss=22.9个
Ss=65.6个
第三年：
SS=11.5×1.1=12.7个
Ss=22.9×1.1=25.2个
ss=65.6×0.9=59个
96.9个
SS频率=12.7÷96.9=13.1%
Ss频率=25.2÷96.9=26%
ss频率=59÷96.9=60.9%
S频率=13.1%+ ×26%=26.1%
s频率=60.9%+ ×26%=73.9%
计算结果保留一位小数
一.种群基因组成的变化与物种的形成
频率 第1年 第2年 第3年 第4年 ……
基因型频率 SS 10% 11.5% 13.1% 14.7%
Ss 20% 22.9% 26% 29.2%
ss 70% 65.6% 60.9% 56.1%
基因 频率 S 20% 23% 26.1% 29.3%
s 80% 77% 73.9% 70.7%
黑褐色环境，不利于浅色桦尺蛾的生存，有利于黑色桦尺蛾的生存，环境的选择作用使s基因频率越来越低，S基因的频率越来越高。
⑤结果与结论
升高
降低
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究自然选择对种群基因频率变化的影响
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
讨论：
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(体色)，而不是基因型。基因型并不能在自然选择中起直接作用，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。
树干变黑会影响桦尺蛾种群中浅色个体的出生率，这是因为树干变黑后，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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究自然选择对种群基因频率变化的影响
不利变异被淘汰，有利变异逐渐积累
变异
自然选择
生物朝一定方向缓慢进化
生物进化的实质是种群基因频率的定向改变。
种群基因频
率发生定向改变
（不定向）
（定向）
在自然选择的作用下，有利变异的基因频率不断增大，有害变异的基因频率逐渐减小。
（3）自然选择对种群基因频率变化的影响
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
用数学方法讨论基因频率的变化：
无法进化
先打破平衡
种群较小
不自由交配
有突变
有选择
有迁入、迁出
遗传平衡
生物怎么进化？
黑色树干上的桦尺蛾
基因频率发生改变
（3）自然选择对种群基因频率变化的影响
1.种群基因组成的变化
一.种群基因组成的变化与物种的形成
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。
总结：
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
进化的原材料
提供
决定
进化方向
进化的实质
一.种群基因组成的变化与物种的形成
1.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。
2.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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究抗生素对细菌的选择作用
3.材料用具：
经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。
4.方法步骤：
第1步：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。
第2步：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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究抗生素对细菌的选择作用
第3步：用无菌的镊子先夹取1张不含抗生素的纸片放在①号区域中央，再分别夹取1张抗生素纸片放在②~④号区域中央，盖上盖玻片。
第4步：将培养皿倒置于37℃的恒温箱中培养12~16h。
第5步：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。
第6步：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直径。
5.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。
4.方法步骤：
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究抗生素对细菌的选择作用
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监测机制，说明党和政府关注民生。医疗机构及时通报预警信息，有利于全国齐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。
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
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。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
探究.实践: 探究抗生素对细菌的选择作用
为了研究微生物的抗药性突变是自发产生的还是在环境因素的作用下产生的，1952年Lederberg夫妇利用大肠杆菌设计了一个影印培养法实验。影印培养法的实验原理是：把长有数百个菌落的细菌母种培养皿倒置于包有一层灭菌丝绒布的木质圆柱体（直径略小于培养皿平板）上，使其均匀地沾满来自母种培养皿平板上的菌落，然后通过这一“印章”把母板上的菌落“忠实地”一一接种到不同的其他培养基上。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
下图就是利用影印培养技术证明大肠杆菌产生抗链霉素突变基因的实验。
①首先将对链霉素敏感的大肠杆菌稀释涂布在不含链霉素的平板1上，待其长出密集的小菌落后，用影印法接种到不含链霉素的培养基平板2上，随即再影印到含有链霉素的培养基平板3上。经培养后，在平板3上出现了个别抗链霉素的菌落。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
下图就是利用影印培养技术证明大肠杆菌产生抗链霉素突变基因的实验。
②对培养皿2和3进行比较，在平板2上找到与平板3上位置相同的那几个菌落。
③将平板2上与平板3上位置相同的菌落挑至不含链霉素的培养液4中，经培养后，再稀释涂布在平板5上。
④并重复以上各步骤，最后在试管12中获得了较纯的抗链霉素菌落。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
(1)3号、7号、11号培养基中加入链霉素的作用是_______________，3号培养皿中的菌落比1号、2号中的菌落少很多，这说明了：____________________________________
作为选择作用
发生抗药性突变的大肠杆菌数量少。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
(2)你认为该实验最关键的设计思路什么？
进了对照实验设计，最终得到的抗药性细菌一直没有接触链霉菌。
(3)该实验得到的结论是什么？
肠杆菌的抗药性突变是随机自发的，而不是在链霉素的作用下产生的。
一.种群基因组成的变化与物种的形成
种群基因组成的变化种群和种群基因库生物进化的实质实质：自然选择定向改变基因频率，导致生物进化理想条件生物不能进化概念基因频率和基因型频率计算方法1.种群基因组成的变化一.种群基因组成的变化与物种的形成小结：一.概念检测
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X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。（ ）
√
×
√
练习与应用（P114）
一.概念检测
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
练习与应用（P114）
一.概念检测
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
练习与应用（P114）
一.概念检测
4.一种果蝇的突变体在21℃的气温下，生存能力很差，但是，当气温上升到255℃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
练习与应用（P114）
二.拓展应用
1.举出人为因素导致种群基因频率定向改变的实例。
如选择育种和杂交育种
2.如果将一个濒临灭绝的生物种群释放到一个新的环境中，那里有充足的食物，没有天敌，这个种群将发生怎样的变化 请根据所学知识作出预测。
如果气候条件等其他条件也合适，并且这个种群具有一定的繁殖能力，该种群的个体总数会迅速增加。否则，也可能仍然处于濒危状态甚至灭绝。
练习与应用（P114）
二.拓展应用
3.碳青霉烯类抗生素是治疗重度感染的一类药物。下表为2005-2008年，该类抗生素在某医院住院患者中的人均使用量，以及从患者体内分离得到的某种细菌对该类抗生素的耐药率变化。据表回答下列问题。
这种细菌耐药率的变化与抗生素的使用量之间是否存在关联 依据是什么
二者存在正相关的关系。依据是调查数据。
练习与应用（P114）
（2）试从进化的角度解释耐药率升高的原因。
随着抗生素人均使用量的增加，不耐药的细菌生存和繁殖的机会减少，耐药菌生存和繁殖的机会增加，耐药性基因在细菌种群中的基因频率逐年上升。
练习与应用（P114）
(3)我国卫生部门建立了全国抗菌药物临床应用监测网和细菌耐药监测网，并要求医疗机构开展细菌耐药监测工作，建立细菌耐药预警机制。例如，当某抗菌药物的主要目标细菌耐药率超过30%时，医疗机构应及时将这一预警信息进行通报。请分析这一要求的合理性。
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，有利于全国各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。
练习与应用（P114）
(4)人类不断研发和使用新的抗生素，细菌对新药的耐药性也在不断提高，二者之间仿佛发生了一场竞赛。作为这场竞赛的参与者，你可以做些什么呢
合理使用抗生素，防止滥用抗生素。

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