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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 教案
第1课时
★教学目标
【生命观念】1.阐述种群、种群基因库、基因频率等概念的内涵；2.阐明自然选择对种群基因频率变化的影响。
【科学思维】说明隔离在物种形成中的作用。
【科学探究】运用数学方法讨论种群基因频率的变化。
★教学重点难点
【教学重点】1.种群、物种、基因频率、隔离等概念；2.变异、选择和隔离在生物进化中的作用。
【教学难点】1.自然选择对种群基因频率变化的影响；2.隔离在物种形成中的作用。
★教学过程
【导入】：
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：
（1）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。
【过渡】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。
【新课讲授】
一、种群基因组成的变化
自然选择直接作用的是生物的个体，而且是个体的表型。但研究生物的进化，仅研究个体和表型是不够的，还必须研究种群基因组成的变化。
1.种群和种群基因库
（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。
（2）种群的基因库：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。
（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。基因频率=某基因的数目/该基因的等位基因的总数=纯合子基因型频率+1/2杂合子基因型频率。
【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？60%、40%。
（2）子代基因型的频率各是多少？AA36%、Aa48%、aa16%。
（3）子代种群的基因频率各是多少？A占60%、a占40%。
（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？种群的基因频率会和子一代一样。
亲代基因型的频率 AA（30%） Aa（60%） aa（10%）
配子的比率 A（ 30% ） A（ 30% ） a（ 30% ） a（ 10% ）
子一代基因型频率 AA（36%） Aa（48%） aa（16%）
子一代基因频率 A（ 60% ） a（ 40% ）
子二代基因型频率 AA（36%） Aa（48%） aa（16%）
子二代基因频率 A（ 60% ） a（ 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？
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。
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？
突变产生的新基因会使种群的基因频率发生变化。基因A2的频率是上升还是下降，要看这一突变对生物体是有益的还是有害的。
哈迪——温伯格定律：一个有性生殖的自然种群中，在符合以下五个条件的情况下，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。五个条件：a.种群非常大；b.所有雌雄个体之间自由交配；c.没有迁入和迁出；d.没有自然选择；e.没有突变和重组。
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（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。
自交和自由交配时基因频率和基因型频率的变化规律：
交配方式 基因频率 基因型频率
自交 不改变 改变，且纯合子增多，杂合子减少
自由交配 处于遗传平衡 不改变 不改变
不处于遗传平衡 不改变 改变
2.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。达尔文曾明确指出，可遗传的变异提供了生物进化的原材料。现代遗传学研究表明，可遗传的变异来源于基因突变、基因重组和染色体变异。其中基因突变和染色体变异统称为突变。
【知识链接】回忆前面所学的知识，想一想，染色体数目和结构的变异都能引起种群基因频率的变化吗？都能。
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？
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，那么每一代出现的基因突变数是多少呢？
2×1.3×104×10-5×108= 2.6 ×107（个）
提问：突变产生的变异有利或有害是绝对的吗？
某海岛上某种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。
突变的有利与有害是相对的，而不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。
【总结】
【思考】那么，种群基因频率的改变是否也是不定向的呢？
【探究·实践·探究自然选择对种群基因频率变化的影响】
（一）提出问题：桦尺蛾种群中s基因的频率为什么越来越低？
（二）作出假设：自然选择可以使种群的基因频率定向改变。
（三）讨论探究思路：1870年，桦尺蛾种群的基因型频率为SS10%；Ss20%；ss70%，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
（四）制定并研究实施方案：
（五）分析结果，得出结论：
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？
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。
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型。
【探究·实践·探究抗生素对细菌的选择作用】
1.为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？
因为抑菌圈边缘生长的细菌可能是耐药菌。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。
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。
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。
4.你认为你的数据和结论是有效的吗？
将你的数据和结论与其他同学的进行比较，根据实际情况回答。
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？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。
【课堂作业】
1.已知人眼中的褐色（A）对蓝色（a）是显性。在一个有30000人的人群中，蓝眼人有3600人，褐眼的有26400人，其中纯合体有12000人。那么，在这个人群中A和a基因频率分布为（　 　）
A.0.64和0.36 B.0.36和0.64 C.0.50和0.50 D.0.82和0.18
2.在某一种群中，已调查得知，隐性性状者（等位基因用A、a表示） 占16%，那么该性状的AA、Aa基因型个体出现的频率分别为（　 　）
A.0.36、0.48 B.0.36、0.24 C.0.16、0.48 D.0.48、0.36
3.有翅昆虫有时会出现残翅或无翅的突变类型，这类昆虫在正常情况下很难生存下去。但在经常刮大风的海岛上，这些突变类型的昆虫因不能飞行，从而避免了被风吹到海里淹死。这个事例说明（　 　）
A.突变多数是有害的 B.突变多数是有利的
C.突变的有害和有利并不是绝对的 D.突变的有害和有利是绝对的
4.在19世纪中叶以前，英国曼彻斯特地区的桦尺蠖几乎都是浅色型（s）的，随着工业的发展，工厂排出的煤烟逐渐将树皮熏成黑褐色，到了20世纪中叶，黑色型（S）的桦尺蠖成了常见类型。下列与此相关的叙述中正确的是（　 　）
A.自然选择的方向发生了改变，所以自然选择是不定向的
B.桦尺蠖种群进化过程中接受选择的是各种基因型的个体
C.该地区桦尺蠖种群进化过程中Ss的基因型频率不会改变
D.长时间的环境污染导致s基因突变成S基因的频率增加
5.据报道，某地爆发致命超级细菌，导致一名3岁男童死亡。超级细菌是指对多数抗生素耐药的细菌，能让抗生素失效造成人体严重感染。下列关于超级细菌的叙述不符合达尔文进化观点的是（ ）
A.超级细菌对多数抗生素具有耐药性，是抗生素不断选择的结果
B.细菌中原来就存在对抗生素具有耐药性的个体
C.抗生素的选择和细菌的变异都是定向的
D.新品种抗生素的使用会影响超级细菌的进化
参考答案：AACBC

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