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第三节
种群基因组成的变化
第六章 生物的进化
目录
1.种群和种群基因库
2.种群基因频率的变化
3.自然选择对种群基因频率变化的影响
问题探讨
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。
先有鸡还是先有蛋？
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？
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。
学习目标
1.阐述种群、种群基因库、基因频率等概念
2.认同种群是生物进化的基本单位
3.计算种群的基因频率和基因型频率，掌握遗传平衡定律的数学模型
4.阐明自然选择对种群基因频率变化的影响
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。
种群和种群基因库
自然选择
根本对象
直接对象
个体的性状（表现型）
种群的基因
“种群”
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
【例】一片树林中的全部猕猴
一片草地上的所有蒲公英
种群和种群基因库
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，并通过繁殖将各自的基因传给后代。
特点：种群是繁殖的基本单位，也是生物进化的基本单位
【练一练】判断下列是否属于种群？
（1）一个池塘中的全部鱼
（2）一个池塘中的全部鲤鱼
（3）两个池塘内的全部鲤鱼
（4）一片草地上的成年梅花鹿
（5）动物园中的某种老虎
种群和种群基因库
种 群
生活在一定的自然区域内
同种生物
所有个体
三要素
×
√
×
×
×
2.基因库
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
注意范围是种群不是物种
基因库包含了种群中全部个体的全部基因，无论“优劣”
种群和种群基因库
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。
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，叫作基因频率
4.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
种群和种群基因库
基因频率=
某基因的数目
该基因的等位基因的总数
× 100%
基因型频率=
某基因型个体总数
种群全部个体数
×100%
基因频率的一般计算方法
在某昆虫种群中，决定翅色为绿色的基因是 A，决定翅色为褐色的基因是 a，从这个种群中随机抽取 100 个个体，测得基因型为 AA、Aa 和 aa 的个体分别是 30、60 和 10 个，求A和a的基因频率。
就这对等位基因来说，每个个体可以看作含有 2 个基因，那么，这 100 个个体共有 个基因。
A基因的数量=___________________ 个
a基因的数量=____________________个
A基因的频率=____________________%
a基因的频率=____________________%
种群和种群基因库
2×30+60=120
120÷200=60
2×10+60=80
80÷200=40
200
【思考·讨论】用数学方法讨论基因频率的变化
假设上述昆虫种群非常大，所有的雌雄个体间都能自由交配并产生后代，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 都不产生突变，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？
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？
种群和种群基因库
【思考】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。
种群和种群基因库
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%
当群体满足以下五个条件：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。
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
设A的基因频率为p，a的基因频率为q；则有p+q=1，那么
（p+q）2 = p2 + 2pq + q2 ＝ 1
AA=p2 Aa=2pq aa=q2
导致基因频率改变的原因
种群和种群基因库
种群规模小
基因频率随机变化
出现基因交流
迁入和迁出
基因频率不定向改变
突变和基因重组
非自由交配
有偏好的基因频率改变
自然选择
基因频率定向改变
最终导致基因频率改变
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。
种群基因频率的变化
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
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）因为种群是由许多个体组成的，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。
【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：
种群基因频率的变化
1.3×104×2×10-5×108 = 2.6×107（个）
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）突变的有害和有利也不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境
种群基因频率的变化
【例】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。
可遗传变异的形成、特点和作用
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
那么种群基因频率的改变是否也是不定向的？
种群基因频率的变化
基因突变
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
【探究·实践】探究自然选择对种群基因频率变化的影响
自然选择对种群基因频率变化的影响
工业革命后
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
【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？
【作出假设】
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）
【讨论探究思路】
通过创设数字化问题情境的方法来探究
自然选择对种群基因频率变化的影响
假设1870 年，桦尺蛾种群的基因型频率为 SS 10%，Ss 20%，ss 70%，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？
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？
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。
自然选择对种群基因频率变化的影响
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。
自然选择对种群基因频率变化的影响
自然选择对种群基因频率变化的影响
变异是不定向的
自然选择是定向的
不利变异被淘汰,有利变异逐渐积累
种群的基因频率发生定向的改变
生物朝着一定方向缓慢进化
生物进化的实质是种群基因频率的定向改变
种群基因频率的改变，标志着生物的进化
【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。
【实验目的】
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
探究·实践 探究抗生素对细菌的选择作用
【实验步骤】
探究·实践 探究抗生素对细菌的选择作用
1
2
3
4
5
6
分区
接种
设置变量
培养
观察
重复实验：
第二代、第三代
①
②
③
④
①区放置不含抗生素（对照组）
②③④区放含有抗生素的纸片（实验组）
观察有无抑菌圈
测量抑菌圈直径
→判断是否抑菌
→判断抑菌强弱
抑菌圈
探究·实践 探究抗生素对细菌的选择作用
【结果分析】
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。
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。
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，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·实践 探究抗生素对细菌的选择作用
课堂小结
随堂小测
1.研究发现,讨厌香菜的人11号染色体上的OR6A2嗅觉受体基因中出现了常见的单核苷酸多态性(SNP)变异,也就是DNA序列中单个核苷酸发生了变化,当这类人接近香菜时,香菜所散发出来的醛类物质会让他们感受到肥皂味。研究发现,喜爱吃香菜与A基因有关,讨厌吃香菜与基因a有关。据调查某地区人群中a基因频率为30%。下列有关叙述正确的是( )
A.人群中全部A和a基因构成了一个基因库的
B.a基因频率较低是因为基因突变具有低频性
C.香菜散发出来的醛类物质会导致a基因频率逐渐上升
D.人口流动可能导致该区域的a基因频率改变,种群发生进化
解析：基因库是一个群体中所有个体的全部基因的总和,A错误;SNP发生的早晚与人群中A、a的基因频率不呈正相关,B错误;香菜所散发出来的醛类物质不会影响a基因频率,C错误;生物进化的实质是种群基因频率的改变,D正确。
D
随堂小测
2.在一个种群中基因型为AA的个体占70%，Aa的个体占20%，aa的个体占10%。A基因和a基因的基因频率分别是( )
A.70%、30% B.50%、50% C.90%、10% D.80%、20%
解析：ABCD、在一个种群中基因型为AA的个体占70%，Aa的个体占20%，aa的个体占10%。根据公式，A=70%+1/2×20%=80%，a=1-A=20%。ABC错误，D正确。
D
随堂小测
3.假设某动物种群中,最初一对等位基因B、b的频率B=0.75,b=0.25,若环境的选择作用使B基因的频率不断降低,若干代后B、b的频率B=0.25,b=0.75。下列有关叙述不正确的是( )
A.在整个过程中,群体中Bb的基因型频率先增后减
B.该动物群体发生了进化
C.等位基因B(b)的产生来自基因突变
D.该动物群体所处的环境没有发生变化
解析： B基因的频率逐渐降低,故BB的基因型频率逐渐降低,A正确；进化的实质是种群基因频率发生改变,故该种群发生了进化,B正确；基因突变往往产生等位基因,C正确；环境的选择作用使B基因的频率逐渐降低,故该动物群体所处环境发生了变化,D错误。
D
THANKS
谢谢观看

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