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第3节 种群基因组成的变化与物种的形成
第1课时 种群基因组成的变化
“中弱不胜触，外坚聊自郛 ”是苏东坡对蜗牛的描述。如果在蜗牛壳为黄色（aa）的群体中
偶然出现一只棕色
（Aa）蜗牛壳的变
异个体，则棕色比
黄色更容易被敌害
发现。
思考：
1.蜗牛的这种变
异有利于生物进
化吗？
2.若棕色个体能
很好地生存下来，
它体内的A基因如何才能传递给子代呢？
4.2.1 举例说明种群内的某些可遗传变异将赋予个体在特定环境中的生存和繁殖优势。
4.2.2 阐明具有优势性状的个体在种群中所占比例将会增加。
4.2.3 说明自然选择促进生物更好地适应特定的生存环境。
1.举例说明种群、基因库、基因频率等概念。(生命观念）
2.用数学方法讨论自然选择使种群基因频率发生改变。
（科学探究、科学思维）
3.探究抗生素对细菌的选择作用。（科学探究、科学思维）
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
一、种群基因组成的变化
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，并通过繁殖将各自的基因传给后代。
判断下列是否属于种群：
√
√
×
×
×
（1）一个池塘中的全部鲤鱼
（2）一个池塘中的全部雄鲤鱼
（3）一个池塘中的全部鱼
（4）一片草地上的全部植物
（5）一片草地上的全部蒲公英
【例1】下列关于种群的叙述中，错误的是（ ）
A．种群是生物进化和繁殖的基本单位
B．一个池塘中的全部鱼是一个种群
C．一个种群中的全部基因构成该种群的基因库
D．种群内的个体会死亡，但基因库却在代代相传的过程中得以保持和发展
B
【解析】选B。种群是生物进化和繁殖的基本单位，A正确；生活在一定区域的同种生物全部个体的集合叫作种群，一个池塘中的全部鱼不是一个种群，B错误；一个种群中的全部基因构成该种群的基因库，C正确；种群内的个体会死亡，但基因库却在代代相传的过程中得以保持和发展，D正确。
性状是由基因控制的，因此研究生物的进化必须研究种群的基因组成和变化。如何分析种群的基因组成和变化？由此人们提出基因库和基因频率的概念。
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
基因数的比值。
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：
在一个种群基因库中，某个基因型的个体占种群个 体总数的比值。
一个种群所有个体各自有自己的基因，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。个体间的差异越大，基因库也就越大。
2．基因库和基因频率
例：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基因的基因频率为：
A =
×100%
2×AA＋Aa
2（AA＋Aa＋aa）
= 60%
a基因的基因频率为：
=40%
a =
2×aa＋Aa
2（AA＋Aa＋aa）
×100%
例:从种群中随机抽出100个个体，测知基因型为AA、Aa和aa的个体分别占30%、60%和10%，那么A和a基因的频率是多少
解:
A基因的频率为
a基因的频率为
基因频率
=纯合子基因型频率+1/2杂合子基因型频率（适用于位于常染色体上的基因）
30% +1/2×60% = 60%
10% +1/2×60% = 40%
通过基因型频率计算基因频率：
思考与讨论：
1、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，自然选择对翅色这一相对性状没有作用，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？
用数学方法讨论基因频率的变化
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
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%
2.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，这取决于生物生存的环境。
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
这5个条件是：
①种群足够大；
②种群中个体间的交配是随机的；
③没有基因突变发生；
④没有迁入和迁出；
⑤没有自然选择。
通过计算,我们可以得到如下结论:
在满足5个基本前提的情况下：种群中，亲子代之间的_______ 频率会发生变化,但是_____频率保持固定不变。
基因型
基因
用数学方法讨论基因频率的变化——遗传平衡定律
遗传平衡定律是由英国数学家哈代和德国医生温伯格分别于1908年和1909年独立证明的，这一定律又称哈代—温伯格定律，它是指在一个极大的随机交配的种群中，在没有突变、选择和迁移的条件下，种群的基因频率和基因型频率可以世代相传不发生变化，保持平衡。
在满足以上五个条件下：
若种群中一对等位基因为A和a，设A的基因频率=p，a的基因频率=q ，因为p＋q=A%+a%=1，则
基于生物学事实和证据运用模型与建模，体现了科学思维的核心素养。
（p+q）2=p2+2pq+q2=AA%+Aa%+aa%=1 。
AA的基因型频率=p2；
aa的基因型频率=q2；
Aa的基因型频率=2pq。
【例2】在某一种群中，经过调查得知，隐性性状约占9%（等位基因用A、a表示），那么该性状的AA、Aa基因型个体出现的频率分别约为（　）
A．0.9、0.82　　　 B．0.36、0.55
C．0.49、0.42 D．0.18、0.73
C
【解析】选C。根据题意可知：隐形性状占9%，即aa=9%，则a的基因频率为30%，A的基因频率为70%，根据基因频率与基因型频率的关系：AA=70%×70%=49%，Aa=2×30%×70%=42%，C正确，A、B、D错误。
如果上述基本前提不存在或者发生改变，种群的基因频率还会保持不变吗？
能使种群基因频率发生变化的因素有哪些？
①突变和基因重组；
②迁入和迁出；
③自然选择。
生物学上，把基因突变和染色体变异统称为突变。
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
3．种群基因频率的变化
思考：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？
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。
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
1．种群突变：每一代就会有大量的变异
2．种群基因重组：产生更多可遗传变异
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？
个体
种群
2 × 104 × 10-5
× 108
= 2 ×107
突变
许多等位基因
基因重组
许多基因型
大量可遗传的变异
形成了进化的原材料
思考：基因突变一定是有利或有害的吗？
某海岛上残翅和无翅的昆虫
取决于生物的生存环境。
影响基因频率的因素：
突变、基因重组、自然选择
基因频率的改变
生物的进化
生物进化过程的实质：
种群基因频率发生变化的过程
思考：突变和基因重组都是随机的、不定向的，那么，种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
探究实验: 自然选择对种群基因频率变化的影响
4．自然选择对种群基因频率变化的影响
19世纪桦尺蛾种群
20世纪桦尺蛾种群
S=5%
S=95%
探究实验：自然选择对种群基因频率变化的影响
提出问题：
种群中S基因（深色性状）的频率为什么越来越高？
11
11+22+63
=11.5%
1870年桦尺蛾的基因型频率SS为10%，Ss为20%，ss为70%，在树干变黑的环境条件下，使种群中浅色个体每年减少10%，黑色个体每年增加10%，几年内，桦尺蛾种群每年的基因型频率与基因频率各是多少？
结论：环境的选择作用使S基因频率越来越高，
即自然选择使种群基因频率发生定向改变。
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
在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表现型？
表现型。天敌看到的是桦尺蛾的体色（表现型）而不是控制体色的基因。
思考
针对特定的生物学现象进行观察、提问，体现了科学探究的核心素养。
变异是不定向的
自然选择
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改变
生物朝一定方向缓慢进化
自然选择决定生物进化的方向
【例3】某植物种群中AA、Aa、aa的基因型频率如图甲所示，种群中每种
基因型的繁殖成功率如图乙所示。种群随机交配产生的后代中基因型为
aa的个体百分比、A基因频率的变化最可能是(　　)
A.升高、降低 B.降低、降低
C.降低、升高 D.升高、升高
C
【解析】选C。由题图可知，基因型为AA的个体繁殖成功率最高，基因型为aa的个体繁殖成功率最低，种群随机交配产生的后代中AA的基因型频率升高，aa的基因型频率降低，因此A基因的频率升高，a基因的频率降低，C正确，ABD错误。
A
【例4】如表是科研人员连续若干年研究浅色飞蛾和黑色飞蛾在某国家不同地区的分布状况的结果：
数据 地区 郊区 工业区
浅色飞蛾 95% 5%
黑色飞蛾 5% 95%
下列对飞蛾在研究区域内的不均衡分布最合理的解释是（　）
A. 自然选择的作用使浅色飞蛾适合在郊区生活，黑色飞蛾适合在工业区生活
B. 生活在工业区的孩子们喜欢抓浅色飞蛾玩，造成工业区的浅色飞蛾减少
C. 浅色飞蛾更喜欢生活在郊区
D. 悬浮于高度污染的空气中的烟灰染黑了飞蛾
【解析】选A。结合题干信息和数据表格分析可知，郊区几乎没有工业，周围颜色浅，有利于浅色蛾的生存；工业区被污染，周围颜色深，有利于深色蛾的生存，这是自然选择的结果，A正确，BCD错误。
5．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。
实验步骤
①培养皿分区、标号。
③将不含抗生素的纸片和含抗生素的纸片分别放在平板的不同位置。
②涂布平板。
①
②
③
④
④将培养皿倒置于37 ℃的恒温箱中培养12~16 h。
⑤观察细菌的生长状况，是否有抑菌圈？测量并记录。
⑥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。重复步骤②~⑤。
结果分析
②你的数据结果是否支持“耐药菌是普遍存在的”这一说法？
支持。
①为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？
抑菌圈边缘生长的可能是耐药菌。
针对特定的生物学现象，进行观察、提问。体现了科学探究的核心素养。
③在本实验条件下，耐药菌所产生的变异是有利的还是有害的？
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。
④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。你认为这些做法有什么后果？
促进耐药菌的产生。
【例5】 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。某学校生物兴趣小组为探究抗生素对细菌的选择作用，做了以下实验。
(1)为获取大肠杆菌，将一定体积的饮用水过滤后，将滤膜放在含有伊
红—亚甲蓝的培养基上培养，挑选出呈深紫色的菌落即为大肠杆菌。
(2)获得大肠杆菌菌落后，需进行扩大培养，此时应选用液体培养基。
(3)将大肠杆菌菌液均匀涂布在固体培养基上，并将平板划分为三个大小一致的区域，各放入一个经抗生素处理的相同圆纸片，在适宜条件下培养2天，观察结果(如图)，统计透明圈的直径。 ①为使实验更具有说服力，平板需增加一个区域，在该区域应放入一个____________________________。 ②请说明圆纸片周围透明圈的大小与抗生素抑菌效果的关系：___________________________。 ③挑取该平板上___________(填“靠近透明圈”“远离透明圈”或“任意位置”)的菌落，制成菌液重复上述实验，培养多代。结果与结论：随着培养代数的增加，________________________，说明抗生素能定向选择耐药菌。
(4)使用后的培养基、圆纸片丢弃前需做灭菌处理。
　　　
未经抗生素处理的相同圆纸片
靠近透明圈
透明圈(抑菌圈)逐渐减小
透明圈越大说明抑菌效果越好
种群
概念
同种生物
一定区域
全部个体
种群
基因库
概念
计算公式
种群基因频率
概念
变化
一个种群
全部基因
该基因型个体数
该种群个体总数
×100%
基因突变
自然选择
某个基因与全部等位基因数的比值
基因频率不定向变化
基因频率定向改变
生物进化
导致
种群基因型频率
1.由于人类对抗生素的滥用，致使一些致病细菌具有广泛的耐药性，甚至出现了无药可治的“超级细菌” 。根据达尔文的进化论分析，耐药细菌产生的主要原因是（ ）
A. 抗生素使具有耐药变异的细菌存活下来
B. 耐药细菌的繁殖能力比不耐药细菌的强
C. 细菌为了适应环境，产生了耐药性变异
D. 抗生素的广泛使用诱导产生了耐药细菌
A
【解析】选A。根据达尔文的进化论，遗传变异是生物进化的基础，首先病菌的抗药性存在着变异，有的抗药性强，有的抗药性弱，使用抗生素时，把抗药性弱的病菌杀死，抗药性强的病菌活下来，A正确，BCD错误。
2.某海岛上因为经常有大风天气，某种昆虫中无翅的或翅特别发达的个体比翅普通（中间型）的更易生存，长此以往形成了现在的无翅或翅特别发达的表现型占绝对优势的昆虫种群。下列分析正确的是（ ）
A. 大风导致昆虫出现无翅和翅特别发达的变异
B. 昆虫翅的全部基因构成了该种群的基因库
C. 大风在昆虫翅的进化过程中起选择作用
D. 无翅昆虫与翅特别发达的昆虫组成了两个种群
C
【解析】选C。先有变异，后有选择，A错误；基因库指一个种群中全部个体所含有的全部基因，B错误；可遗传变异是先天存在的，大风对有利变异进行选择，在昆虫翅的进化过程中起自然选择作用，C正确；无翅昆虫与翅特别发达的昆虫组成了一个种群，D错误。
3.安第斯山区有数十种蝙蝠以花蜜为食，其中长舌蝠的舌长为体长的1.5倍，只有长舌蝠能从长筒花狭长的花冠筒底部取食花蜜，且为该植物的唯一传粉者。下列叙述错误的是（　　）
A. 长筒花狭长的花冠筒是自然选择的结果
B. 不同舌长的蝙蝠个体之间出现存活率和繁殖率的差异
C. 蝙蝠微小的长舌变异经过长期自然选择积累为显著变异
D. 上述实例说明自然选择是进化的唯一因素
D
【解析】选D。长筒花狭长的花冠筒是自然选择的结果，A正确； 不同舌长的蝙蝠个体之间出现存活率和繁殖率的差异，B正确；蝙蝠微小的长舌变异经过长期自然选择积累为显著变异，C正确；突变、基因重组、自然选择都能改变基因频率，导致生物进化，D错误。
4.兔的脂肪白色（F）对淡黄色（f）为显性，由常染色体上一对等位基因控制。某兔群由500只纯合白色脂肪兔和1500只淡黄色脂肪兔组成，F、f的基因频率分别是（ ）
A.15%、85 % B.25%、75% C.35%、65% D.45%、55%
B
【解析】选B。根据题意可知：FF的个体为500只，ff的个体是1500只，因此F的频率=F的个数/CF+f的总数×100%=500×2/2000×2
=25%；f的频率为1-F的频率=1-25%=75%，B正确，ACD错误。
5.用水蚤进行水温变化的实验过程和现象如图所示。请回答下列问题：
（1）实验表明，多数水蚤生活的最适温度是______。
（2）有些水蚤能在20 ℃环境中生活，有些水蚤能在28℃ 环境中生活，这表明水蚤个体之间存在着______。这体现了生物的变异是________。
（3）实验中在20 ℃或28 ℃环境中都有生存的个体，它们都是____________________的个体。温度的改变对水蚤起了______作用，这种作用是______（填“定向”或“不定向”）的。
25 ℃
差异
适应20 ℃或28 ℃环境
定向
选择
不定向的
（4）20 ℃环境中生活的水蚤移入28 ℃环境中，将导致水蚤死亡；28 ℃环境中生活的水蚤移入20 ℃环境中也将引起其死亡。上述现象说明当环境条件改变时，如果生物缺少____ __，就要被环境淘汰。
适应新环境的变异
由图分析可知，25 ℃环境中多数个体能正常生活，说明多数水蚤生活的最适温度是25 ℃，生物体能在某种环境中生活，说明它能适应某种环境，否则就不能生活在特定环境中，生物的变异是不定向的，自然选择却是定向的，即朝着适应环境的方向发展。
聪明出于勤奋，
天才在于积累。

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