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(共46张PPT)
第3节 种群基因组成的变化与物种的形成
第6章 生物的进化
问题探讨
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：你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
先有鸡还是先有蛋
问题探讨
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。
讨论：你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
问题探讨
资料 19世纪中叶以前的英国曼切斯特地区，山清水秀，绿树成阴。那里的森林中生活着一种桦尺蛾。它们夜间活动，白天栖息在长满地衣的树干上。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）为显性。生物学家来这里考察，发现大多数桦尺娥成虫的体色足浅色的，只有少数是黑色的，这些黑色的桦尺蛾是浅色桦尺娥在自然条件下的变异类型。
100年以后，也就足20世纪中叶，曼彻斯特已经变成了一个工业城市。这里工厂林立，烟雾弥漫，工厂排出的煤烟杀死了地衣，结果使树皮裸露并被熏成黑褐色。这时侯，又有一些生物学家到这里考察，使他们惊讶的是，这里的黑色桦尺蛾变成了常见类型，而浅色的桦尺蛾却成了少数。
问题探讨
思考：
①导致桦尺蛾出现“黑化〞现象的原因是什么？
②自然选择直接作用的是生物的个体，还是群体？
③自然选择直接选择的是基因型还是表型？为什么？
环境的变化起到了选择作用
个体
表型。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。
问题探讨
④研究进化，仅研究个体和表型是否就可以？为什么？
不可以。
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。
可见，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。
一、种群和种群基因库
1.种群
生活在一定区域的同种生物的全部个体，种群是生物繁殖和进化的基本单位
（1）概念：
一片草地上的所有蒲公英
一片树林中的全部猕猴
一、种群和种群基因库
思考：为什么说“个体”不是生物进化的基本单位？
如果一个个体不能与种群中的其他个体交配产生后代，那么这个个体的存在在进化上没有意义。
（2）特点：
组成种群的个体并不是机械地集合在一起，而是彼此之间可以交配产生可育后代，通过繁殖将基因传给后代。
【例】农贸市场上售卖的鸡群是一个种群（ ）
X
一、种群和种群基因库
一个种群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。
种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。
许多昆虫的寿命不足一年，所有的蝗虫都会在秋风中死去，其中有些个体成功的完成生殖，死前在土壤中埋下受精卵，来年春夏之交部分受精卵成功的发育成蝗虫。
一、种群和种群基因库
基因库：一个种群中全部个体所含有的全部基因。
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率。
基因型频率：在一个种群中，某基因型个体占种群内全部个体的比率。
基因型频率=
某基因型个体总数
种群全部个体数
× 100%
基因频率=
某基因的总数
控制同种性状的等位基因的总数
× 100%
一、种群和种群基因库
【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？AA、Aa、aa的基因型频率是多少？
① 在种群中，一对等位基因的基因频率之和等于1，基因型频率之和等于1。
② 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。
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 =
×100%
2×AA＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
30×2+60
2×100
=
60%
2×100
a基因频率=
10×2+60
=
40%
2×aa＋Aa
2(AA＋Aa＋aa)
×100%
=
=
一、种群和种群基因库
【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？
基因频率 =
某基因的总数
控制同种性状的等位基因的总数
× 100%
Xb基因频率=
1×2+3+4
100×2+100
×100% =
3%
Xb基因频率=
Xb基因总数
2×女性个体数＋男性个体数
×100%
基因只位于X染色体上基因频率的计算
一、种群和种群基因库
思考与讨论：用数学方法讨论基因频率的变化
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。
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？
亲代基因型的比值 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( )
30%
30%
30%
10%
36%
48%
16%
60%
40%
一、种群和种群基因库
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 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%
在满足上述5个前提条件下
各代基因频率相同。基因型频率从子一代开始保持不变。
一、种群和种群基因库
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种群数量足够大； 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自然选择对体色性状没有作用；⑤基因A和a都不产生突变时，种群的基因频率将不会改变。
设 A 的基因频率为 p ， a 的基因频率为 q ；则 p + q = 1 ，且：
aa 基因型的频率
AA 基因型的频率
Aa 基因型的频率
( p + q )2 = p2 + 2pq + q2
一、种群和种群基因库
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，翅色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少些。
足够大的种群是不存在。而根据概率原理，当个体数不是充足大时，实际得到的数值与理论上的数值就存在误差，实际中子代和亲代的基因频率就会有差异；
所有雌雄个体间都能自由交配并产生后代也是不现实的。也就是说不同基因型个体产生的卵细胞和精子结合的机会并不是均等的；
由于各种原因，种群中有的个体会离开该群体，有的个体会迁入该种群；
在自然界中，自然选择是不可抗拒的，始终对种群发挥作用；
基因突变具有普遍性、随机性（P83）。
二、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。
基因突变
染色体变异
基因重组
变异
可遗传变异
不可遗传变异
3种可遗传变异都能改变基因频率吗？
突变
生物进化的原材料
二、种群基因频率的变化
基因突变
染色体变异
基因重组
可遗传变异
主要因素
3种可遗传变异都能改变基因频率吗？
不一定影响
不直接改变
突变
影响种群基因频率变化的因素是突变和基因重组
二、种群基因频率的变化
【突变】生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，那么，它为什么能够作为生物进化的原材料呢？（教材P112）
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
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。
二、种群基因频率的变化
生物的生存环境：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。
突变的多害少利是绝对的吗？
某海岛上残翅和无翅的昆虫
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。
二、种群基因频率的变化
【基因重组】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
二、种群基因频率的变化
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。
基因突变
基因重组
新的等位基因
多种多样的基因型
种群中出现大量可遗传的变异
变异是
不定向的
形成了进化的原材料,
不能决定生物进化的方向
突变和重组都是随机的，不定向的，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
探究自然选择对种群基因频率变化的影响
A
a
a
A
19世纪中叶以前:浅色型，该种群中S基因在5%以下。
20世纪中叶:黑色型，S基因的频率上升到95%以上。
曼彻斯特地区的树干上长满了浅色的地衣
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
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
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
自然选择可以使种群的基因频率定向改变
探究思路
创设数字化问题情景的方法探究
1870年，桦尺蛾种群基因型频率为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， 使得浅色个体每年减少10％，黑色个体每年增加10％。
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
制定并实施研究方案
创设数字化问题情景。
计算，将结果填入表格
假设：第1年桦尺蛾种群个体数为100只，则第1年SS有10只，Ss有20，ss有70只。浅色每年减少10%，黑色每年增加10%。
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%
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
第一年 第二年 第三年 第四年 …….
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%
12.9%
25.8%
61.3%
26%
74%
14.3%
29.7%
56.0%
29%
71%
升高
升高
降低
升高
降低
分析结果，得出结论
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。
自然选择使种群基因频率发生定向改变。
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
讨论：根据数据分析，树干变黑对桦尺蛾浅色个体的出生率有影响吗？
影响，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。
讨论：在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表型？
天敌看到的是桦尺蛾的体色（表型）而不是控制体色的基因，自然选择中直接受选择的是表型。
三、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
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。
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
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
影响种群基因频率变化（生物进化）的因素
外因：自然选择。
内因：基因突变和部分染色体变异，比如缺失和重复能直接引起基因频率的改变，基因重组只是改变了基因型频率，在自然选择作用下淘汰部分个体后可引起基因频率的变化。
三、自然选择对种群基因频率变化的影响
生物进化的基本单位
生物进化的实质
生物进化的原材料
决定生物进化的方向
种群
基因频率的改变
突变和基因重组
自然选择
四、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。
通过观察大肠杆菌在含有卡那霉素的培养基上的生长状况，探究抗生素对细菌的选择作用。
实验目的
四、抗生素对细菌的选择作用
讨论：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。
讨论：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。
讨论：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。
四、抗生素对细菌的选择作用
讨论：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。
这些做法都会促进耐药菌的产生。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。
自然选择使种群的基因频率发生定向改变，只要是基因频率发生变化，生物就一定发生了进化，但是进化一定形成新物种吗？
19世纪中叶到20世纪中叶，英国曼彻斯特地区的桦尺蠖种群基因频率发生了很大的改变。
这两种桦尺蠖还是不是同一物种？
是同一物种
五、物种的概念
五、物种的概念
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。简称“种”
物种与种群的区别：
一个物种可以包括生活在不同地理区域的多个种群。只要各个种群相互交配仍能产生可育的后代，则是同一物种。
例如，两个池塘里的鲤鱼就是两个种群，但是属于同一物种。
五、物种的概念
①全世界的人都是一个物种吗？
②马和驴是一个物种吗？
是，无论白人黑人黄种人结婚，都能产生具有生殖能力的后代
所有的马是一个物种，所有的驴也是一个物种，但是马和驴不是一个物种，因为马和驴交配产生的后代-骡没有生殖能力。
马（2n=64）
驴（2n=62）
骡（2n=63）
+
六、隔离在物种形成中的作用
①不同物种之间不能相互交配的，即使交配成功，也不能产生可育的后代，这种现象叫做生殖隔离。
②在自然界，同一物种的个体并不都是生活在一起。由于高山、河流、沙漠或其他地理上的障碍，每一个物种分成不同的种群，使得种群间不能发生基因交流的现象，叫做地理隔离。
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。
隔离
隔离
生殖隔离
地理隔离
六、隔离在物种形成中的作用
地理隔离和生殖隔离之间有什么联系呢？
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。后来由于地质和气候的变化，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。这样过了几千年。
后来，河流干涸了，两个鼠种群又相遇了。它们发现彼此大不相同，它们之间还能繁殖后代吗？
六、隔离在物种形成中的作用
两个鼠种群间可能不能自由交配，也可能能自由交配。
如果不能自由交配或交配后不能产生可育后代，说明长期的地理隔离导致生殖隔离，形成了两个新物种；如果能自由交配并产生了可育后代，说明还是同一物种。
两个鼠种群还能自由交配吗？
六、隔离在物种形成中的作用
达尔文在环球考察中观察到一个奇怪的现象。加拉帕戈斯群岛位于南美洲附近的太平洋中，由13个主要岛屿组成，这些岛屿与南美洲大陆的距离为160~950km。
思考·讨论：分析生物进化观点对人们思想观念的影响
六、隔离在物种形成中的作用
思考·讨论：分析生物进化观点对人们思想观念的影响
在加拉帕戈斯群岛上生活着13种地雀。这些地雀的喙差别很大，不同种之间存在生殖隔离。而在辽阔的南美洲大陆上，却看不到这13种地雀的踪影。
不同岛屿的环境有较大差别，这些岛屿是500万年前由海底的火山喷发后形成的。因此，可以推测这些地雀的共同祖先来自南美洲大陆，以后在各岛屿形成不同的种群。
加拉帕戈斯群岛的地雀
六、隔离在物种形成中的作用
1.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。它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。
2.不同岛屿上的地雀种群，产生突变的情况一样吗？
不一样。因为突变是随机发生的。
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着不同的方向改变。
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。
思考·讨论：分析生物进化观点对人们思想观念的影响
六、隔离在物种形成中的作用
加拉帕戈斯群岛的地雀是通过长期地理隔离形成新物种，产生生殖隔离的著名实例。
突变和基因重组
种群基因频率变化
导致
积累
基因库的差异
种群间生殖隔离
标志着
地理隔离
时间
扩大
自然选择
新物种形成
导致
导致
阻断基因交流
六、隔离在物种形成中的作用
地理隔离 生殖隔离
区别 特 点
结 果
联 系
地理隔离VS生殖隔离
自然条件下基因不能交流，一定条件下可以进行基因交流
种群间不能发生基因交流
形成不同的亚种
形成不同的物种
地理隔离是物种形成的量变阶段，生殖隔离是物种形成的质变时期，长期的地理隔离最终形成生殖隔离，
生殖隔离是物种形成的标志（关键），是物种形成的最后阶段。
新物种的形成不一定需要地理隔离。长期的地理隔离也不一定出现生殖隔离，可能两个地方环境下相似。
没有地理隔离，也可能产生生殖隔离，如求偶方式不同、繁殖期不同、花期不同等
结论：隔离是物种形成的必要条件
六、隔离在物种形成中的作用
物种的形成
a.渐变式（如加拉帕戈斯岛上的地雀）
环节一
环节二
环节三
产生进化的“原材料”
决定生物进化的方向
导致新物种的形成
突变
基因重组
自然选择
生殖隔离
六、隔离在物种形成中的作用
物种的形成
b.骤变式
物种A
物种B
杂交
杂种植物
染色体加倍
异源多倍体
主要通过染色体变异的方式形成新物种，一旦出现就可以很快形成生殖隔离，此种方式多见于植物
人工创造新物种
如人工诱导多倍体形成（四倍体西瓜、八倍体小黑麦等）

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