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第6章 生物的进化
第3节 种群基因组成的变化与物种的形成
必
修二
一、种群基因组成的变化
2课时
一、学习目标
二、重难点
1.教学重点
(1)种群、基因库、基因频率等概念。
(2)突变和基因重组、自然选择在生物进化过程中的作用。
2.教学难点
1.通过辨析与归纳问题，自主构建种群、基因库、基因频率等概念，认同种群是生物繁殖和进化的基本单位。（生命观念）
2.尝试建立数学模型，探究理想条件和自然条件下种群基因频率的变化，分析生物进化与种群基因频率改变的关系。（生命观念、科学思维、科学探究）
3.通过对桦尺蛾的体色变异分析,阐明种群内个体的可遗传变异在生物进化过程中的作用，理解自然选择对生物进化的影响。（生命观念、科学思维）
(1).运用数学方法计算种群的基因频率和基因型频率,构建遗传平衡定律的数学模型。
(2).理解自然选择如何导致种群基因频率的定向改变,从而推动生物进化的方向性变化。
问题探讨
...
【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。
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？理由是什么
讨论:
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
【思考】1.自然选择直接作用的是生物的个体还是群体？
2.自然选择直接选择的是基因型还是表型？
生物个体的表型
直接作用于
表型随个体死亡而消失
基因随生殖而延续并在群体中扩散
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
自然选择
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
1.种群：
（1）概念：生活在一定区域的同种生物全部个体的集合叫作种群。
种群的三个要素：
①一定区域；②同种生物；③全部个体
一片树林中的全部猕猴
一片草地上的所有蒲公英
一个培养皿中大肠杆菌
（2）特点：
①种群是生物繁殖的基本单位，也生物进化的基本单位。
②个体间彼此交配并通过繁殖将各自的基因遗传给后代。
例：判断下列例子是否为一个种群：
a.一片森林中的所有的蜘蛛。( ）b.一片森林中的所有金丝猴。( ）
c.一个池塘里的全部青蛙。（ ）
×
×
√
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
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。
种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。 如同前一年的蝗虫种群相比，新形成的蝗虫种群在基因组成上会有什么变化吗？
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
2.种群基因库：
一个种群的全部个体所含有的全部基因
思考1：每个个体都有基因库的全部基因吗？
每个个体所含的基因只是基因库的一部分
思考2：个体间差异大，对基因库有什么影响？
个体数目越多，个体间差异越大，基因库也就越大
3.基因频率和基因型频率：
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。
基因型频率：在一个种群基因库中，某种基因型的个体占个体总数的比值。
基因型频率=
某基因型个体总数
种群全部个体数
×100%
公式：
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
4.基因频率的计算：
每个个体看作含有2个基因，则：
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= %。
AA基因型频率： ；
Aa基因型频率： ；
aa基因型频率： ；
A基因频率= ；
a基因频率= 。
200
2×30+60=120
2×10+60=80
120÷200=60
80÷200=40
30÷100 = 30%
60÷100 = 60%
10÷100 = 10%
30%+1/2×60%= 60%
10%+1/2×60%= 40%
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。
基因频率=纯合子频率+1/2杂合子频率
某昆虫种群中，A基因决定翅色为绿色，a基因决定翅色为褐色，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。
方法一：概念法
方法二：通过基因型频率计算
基因频率=
某基因总数
种群个体数×2
×100%
二 、适应是自然选择的结果
自然选择与适应的形成
Natural Selection and the Formation of Adaptation
思考 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？
（4）将计算结果填入右表，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( ) 30%
10%
30%
30%
36%
16%
48%
60%
40%
2.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？
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,种群的基因频率会发生变化吗？基因A2的频率可能会怎样变化？
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。
不可能同时都成立。如天敌捕食、环境变化等。
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
4.基因频率的计算：
方法三：遗传平衡定律：
（哈代—温伯格定律）
(1)前提条件:
①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基因不产生突变。
(2)计算公式:
设A=p, a=q, 则p+q=1
(p+q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1
①基因在常染色体上：
A(p) a(q)
A(p) AA(p2) Aa(pq)
a(q) Aa(pq) aa(q2)
则：
AA=p2
Aa=2pq
aa=q2
②基因仅在X染色体上：XA =p，Xa =q
女性：( p+q )2 =p2 +2pq+q2
男性：
男性基因型占比=基因占比
XAXA = p2 XAXa = 2pq XaXa = q2
XAY = p XaY = q
理想条件
基因频率=
某基因的总数
雌性个体数×2+雄性个体数
×100%
群体：
注意：基因频率在男性、女性群体中、人群中是相同的
一 、种群和种群基因库
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
1.经调查，某地区隐性遗传病白化病的发病率是16%，一对表型正常的夫妇在进行遗传咨询时，发现丈夫的母亲是白化病患者，请估算该对夫妇所生子女患病的概率是多少？
由题干可知丈夫基因型为Aa，
该地区：aa=16%，则a基因频率=
40%
妻子的基因型是Aa的概率为：
则：AA =
Aa =
子女患病（基因型aa）的概率：4/7×1/4 = 1/7
A基因频率=60%
36%
48%
4/7
课堂检测
2.若在果蝇种群中，XB的基因频率为80%，Xb的基因频率为20%，雌雄果蝇数相等，理论上，XbXb、XbY的基因型频率依次 （ ）
A. 1% 2% B. 8% 8% C. 2% 10% D.2% 8%
C
二 、种群基因频率的变化
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
影响种群基因频率变化的有哪些？
遗传平衡定律所指的种群是理想的种群，自然界中这样的种群是不存在的，也就是说种群的基因频率迟早是要发生改变的。
1.基因频率发生变化的原因：
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。
达尔文明确指出，可遗传的变异为生物进化提供了原材料。
可遗传的变异
变异
不可遗传的变异
基因突变
染色体变异
基因重组
突变
提供了生物进化的原材料
2.可遗传变异的来源：
二 、种群基因频率的变化
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
1、突变具有低频性，为什么还能为生物进化提供材料？
基因突变的频率是很低的，但每个种群的个体数量是很大的，每个个体的基因数目很多，这样每一代都会产生大量突变个体。
每一代出现的基因突变数=每个基因的突变率×每个个体的基因数×种群个体数
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，对一个中等大小的种群（约有108个个体）来说，每一代出现的基因突变数将是：
2×1.3×104×10－5×108＝2.6×107（个）
2、①突变和基因重组能决定进化的方向吗？
不能。突变和重组都是随机的、不定向的，有利的变异才是进化。
②突变的有利和有害是由什么决定的？
由生物的生存环境决定，所以，自然选择才能决定种群基因频率的变化。
二 、种群基因频率的变化
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
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，从而使种群出现大量多种多样的可遗传变异类型。
3.可遗传变异的形成：
4.可遗传变异的特点：突变和重组都是随机的、不定向的。
5.总结：
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
可遗传的变异类型
形成
变异是随机的、不定向的
特点
那么什么因素决定生物进化的方向？
产生
探究 实践
.
三 、自然选择对种群基因频率变化的影响
【资料】英国曼彻斯特地区有一种桦尺蛾(幼虫叫桦尺蠖)。它们夜间活动，白天栖息在树干上。19世纪时，曼彻斯特地区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。
长满地衣的树干上的桦尺蛾
黑色树干上的桦尺蛾
基因类型 黑色（S） 浅色（s）
工业革命前 （19世纪中叶） 5% 95%
工业革命后 （20世纪中叶） 95% 5%
桦尺蛾种群中s基因的频率为什么越来越低呢？
自然选择使桦尺蛾种群的基因频率发生了定向改变。
提出问题：
作出假设：
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
1.探究自然选择对种群基因频率变化的影响
探究 实践
.
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％。
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？
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
讨论探究思路：
制定并实施研究方案
(1)创设数字化的问题情境。
(2)计算，将计算结果填入表中。
个体总数 …
100只
96只
93只
90.9只
分析结果，得出结论：
11
22
63
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
分析结果:
得出结论:
在自然环境的选择作用下,该种群的S(深色)基因的频率逐渐上升,s(浅色)基因的频率逐渐下降。
在自然选择的作用下，可以使基因频率发生定向改变，决定生物进化的方向。
三 、自然选择对种群基因频率变化的影响
探究 实践
.
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
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。
长满地衣的树干上的桦尺蛾
黑色树干上的桦尺蛾
三 、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)应用以上所学内容分析:害虫的抗药性出现在喷药前还是喷药后,药物起什么作用
喷药前。药物起自然选择的作用而非诱变的作用。
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
三 、自然选择对种群基因频率变化的影响
2.自然选择决定生物进化方向:
生物发生不定向变异
不利变异（基因）
有利变异（基因）
淘汰
种群的基因频率定向改变
多次选择和积累，通过遗传
自然选择
结论：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。
决定生物进化的方向
生物进化的实质：
种群基因频率的定向改变
【注意：不是基因型频率】
适应环境的方向
环境
3.下列关于生物进化论的叙述，正确的是 （ ）
A．研究生物进化最直接、最可靠的证据是同源器官
B．枯叶蝶的体形像枯叶，这是生物对环境长期适应的结果
C．“种群是生物进化的基本单位”是达尔文生物进化论的观点
D．种群基因库是指种群中每个个体都含有种群中的全部基因
B
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
课堂检测
三 、自然选择对种群基因频率变化的影响
4.科学家研究了不同狐狸物种对沙漠的适应机制，发现近缘物种路氏沙狐的改变尿浓度的基因转移到北美狐狸基因组中 (该过程也称基因渗入)，促进其适应在沙漠中生存。下列叙述正确的是 （ ）
A．基因渗入可使种群的基因频率发生改变
B．路氏沙狐和北美狐的全部基因构成一个基因库
C．自然选择直接作用于基因导致进化
D．种群的定向变异是形成适应的前提
A
5.某动物种群中AA、Aa和aa的基因型频率分别为0.3、0.4和0.3，且种群数量足够大、不发生基因突变、自然选择不起作用、没有迁入迁出，则下列分析错误的是 （ ）
A．如果种群中个体间随机交配，该种群的子一代中aa的基因型频率为0.25
B．如果该种群的子一代再随机交配，其后代中aa的基因型频率会发生改变
C．如果该种群个体只在相同基因型之间进行交配，其子一代中AA的基因型频率为0.4
D．如果子一代也同样只发生相同基因型之间的交配，AA的基因型频率会发生改变
B
因自由交配后遗传平衡，aa基因型频率应稳定
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
种群基因组成的变化
Changes in the genetic composition of a population
练习与应用
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。 ( ）



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
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
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
练习与应用
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。
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。
3.碳青霉烯类抗生素是治疗重度感染的一类药物。右表为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。
(1)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。
年份 2005 2006 2007 2008
住院患者该类抗生素的人均使用量/g 0.074 0.12 0.14 0.19
某种细菌对该类抗生素的耐药率/% 2.6 6.11 10.9 25.5
练习与应用
二、拓展应用
（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。
3.碳青霉烯类抗生素是治疗重度感染的一类药物。右表为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。
年份 2005 2006 2007 2008
住院患者该类抗生素的人均使用量/g 0.074 0.12 0.14 0.19
某种细菌对该类抗生素的耐药率/% 2.6 6.11 10.9 25.5
练习与应用
二、拓展应用
（3）我国卫生部门建立了全国抗菌药物临床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。
（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。
Thanks!
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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