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6.3　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及探究抗生素对细菌的选择作用 · 高中生物学 必修2 遗传与进化 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
学习目标
1．【生命观念】：理解种群、种群基因库、基因频率等概念的内涵，认同种群是生物进化的基本单位，理解种群基因频率的定向改变是进化的实质。
2．【科学思维】：用数学方法定量推算种群基因频率，归纳自然选择对种群基因频率变化的影响，建立“变异不定向—选择定向”的逻辑关系。
3．【科学探究】：设计并分析“抗生素对细菌的选择作用”实验，理解耐药性的出现是可遗传变异的结果、比例的增大是抗生素选择的结果。
4．【社会责任】：结合耐药菌增多等现实问题，形成科学合理使用抗生素、减少抗生素滥用的意识。
情境导入
每当感冒发热，总有人习惯性地“来几片抗生素”。可是医生却说：多数感冒是病毒引起的，抗生素根本无效；滥用抗生素反而会让细菌逐渐“耐药”。把含青霉素的纸片放在长满大肠杆菌的培养皿上，纸片周围会现出一圈抑菌圈；再从抑菌圈边缘挑取细菌继续培养，重复多代后，抑菌圈会越缩越小——细菌似乎“越来越不怕”青霉素了。
1．从进化的角度分析，细菌耐药性“越来越强”的根本原因是什么？
2．这个实验中抑菌圈逐代变小，与工业污染使桦尺蠖体色由浅变黑的现象，有何共同点？
自主预学
任务一　种群、种群基因库与基因频率
1．种群：生活在一定范围内________种生物的全部________的集合。
2．种群基因库：一个种群中全部个体所含有的________基因。
3．基因频率：在种群基因库中，某个基因占________的比值。
4．基因型频率：某特定基因型的个体在________中所占的比值。
任务二　种群基因频率的变化与自然选择
1．可遗传变异的来源：突变（包括________和________）和________。
2．突变产生新的________，基因重组可形成多种多样的________。
3．可遗传变异的特点：随机的、________。
4．可遗传变异为生物进化提供________，但不能决定进化的________。
5．变异的有利与有害，往往由________决定。
6．自然选择使有利基因的频率________，不利基因的频率________，使种群的基因频率发生________改变。
任务三　探究抗生素对细菌的选择作用
1．实验原理：一定浓度的抗生素能杀死细菌，但变异细菌可能产生________。
2．分组划线：用记号笔在培养皿________画出两条相互垂直的直线，将培养皿分为4个区域。
3．变量控制：对照组中央放不含抗生素的纸片，实验组分别放置________纸片。
4．培养：将培养皿________置于37 ℃恒温箱中培养12～16 h。
5．因变量测定：观察纸片附近是否出现________，测量并记录直径取平均值。
6．重复实验：从抑菌圈________的菌落上挑取细菌，连续多代接种重复。
7．结果与结论：抑菌圈直径逐代________，细菌耐药性的出现是发生了________。
课堂探究
探究一　用数学方法分析种群基因频率的变化
某野兔种群中，毛色黑色由显性基因B控制、白色由隐性基因b控制。调查100只个体，基因型为BB、Bb、bb的个体数分别为20、40、40。假设种群数量很大、雌雄个体随机交配、无迁入迁出、各基因型生存与繁殖机会均等、不发生突变。
1．除基因重组外，还有哪些因素会导致种群的基因库发生改变？
2．请分别计算该种群中B、b基因的基因频率，并写出计算过程。
3．随机交配产生的子一代，其基因型频率是多少？B、b基因频率又会怎样变化？
4．若种群持续自由交配，若干代以后B、b基因频率是否仍与亲代相同？
项目 B基因频率 b基因频率
亲代 40% 60%
子一代 40% 60%
若干代后 40% 60%
典例精析　桦尺蠹体色由一对等位基因S、s控制，S对s为显性。将某桦尺蠹种群分成两组，分别迁到甲、乙两个区域（甲为煤炭工业区，乙为污染较轻的山区），数年后抽样调查结果如下表。下列说法不正确的是（　）
区域 SS/% Ss/% ss/%
甲 80 18 2
乙 2 8 90
A．甲地种群S基因频率为89%，乙地种群S基因频率为6%
B．甲地种群大部分s基因突变为S基因，故S基因频率升高
C．生物进化的方向是由自然选择决定的
D．生物进化的实质是种群基因频率的变化
对点练1　下列关于种群基因频率的叙述，错误的是（　）
A．基因频率是指某个基因在某个种群中出现的比例
B．基因频率越大，突变率越高
C．基因突变、基因重组和自然选择都会导致基因频率的改变
D．自然选择会使原来同一种群的基因频率向着不同的方向发展
探究二　自然选择对种群基因频率变化的影响
19世纪英国工业革命前，曼彻斯特地区桦尺蠹以浅色体色为主；随着工业污染加剧，树干被熏黑，当地桦尺蠹几乎全为黑色。
图1　工业污染引起桦尺蠹体色定向变化的自然选择示意
1．图中桦尺蠹种群发生了怎样的变化？引起这种变化的原因是什么？
2．在自然选择过程中，直接受选择的是生物的基因型还是表型？
3．所有的变异都能导致种群基因频率的改变吗？为什么？
4．桦尺蠹种群中发生的可遗传变异包括哪些类型？
5．突变具有低频性，它还能为生物进化提供原材料吗？为什么？
6．“发生在体细胞中的基因突变不能传递给后代，因此不能为生物进化提供原材料”，这种说法正确吗？为什么？
7．生物进化的实质是什么？如何判断一个种群是否发生了进化？
典例2　19世纪英国工业革命前，曼彻斯特地区桦尺蠹以灰色为主；工业污染后，当地桦尺蠹体色几乎全为黑色。下列有关叙述正确的是（　）
A．工业污染导致桦尺蠹种群出现黑色变异
B．桦尺蠹种群的全部基因型构成了该种群的基因库
C．工业发展导致桦尺蠹体色基因频率改变是人工选择的结果
D．自然选择是适应性进化的唯一因素，自然选择的方向有可能改变
对点练2　某种昆虫的翅长由多对等位基因控制，该种群从大陆迁移到某海岛上，经调查其翅长和个体数的关系如图甲所示，若干年后如图乙所示。据图分析，下列叙述正确的是（　）
图2　某昆虫种群翅长个体分布（图甲、图乙）
A．该海岛环境最初适合中等翅长昆虫生存
B．控制该昆虫翅长的全部等位基因组成一个基因库
C．突变和基因重组使昆虫种群产生定向变异
D．自然选择导致该昆虫种群基因频率发生定向改变
探究三　探究抗生素对细菌的选择作用
把含抗生素的纸片放在长满细菌的培养基上，纸片周围会出现抑菌圈。从抑菌圈边缘挑取细菌继续培养，再用含抗生素纸片重复，发现抑菌圈直径逐代减小。这说明细菌的耐药性在抗生素持续作用下“越来越强”。
1．为什么从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？抑菌圈直径为什么逐代变小？
2．在本实验培养条件下，耐药菌产生的变异是有利还是有害？如何理解变异“有利”与“有害”？
3．滥用抗生素（如感冒时自行服用抗生素、向动物饲料中添加抗生素）可能会带来什么后果？
例3　抗生素的使用是一把双刃剑，在杀死部分细菌的同时也会筛选出耐药的细菌，致使细菌耐药性越来越强、有效药物越来越少。下列叙述不正确的是（　）
A．滥用抗生素导致细菌耐药性增强是自然选择的结果
B．细菌一般只能发生基因突变，偶尔也可能发生基因重组
C．滥用抗生素是对细菌的有利基因进行选择，且决定了新基因的产生
D．滥用抗生素可使细菌耐药基因频率提高，使细菌朝耐药性增强的方向进化
对点练3　气候变化及其他环境因素可能使细菌增强对抗生素的抵抗能力，产生更多“超级细菌”。下列说法正确的是（　）
A．耐药性是滥用抗生素诱发基因突变导致的
B．即使使用新品种抗生素，也无法影响“超级细菌”的进化
C．细菌耐药性的增强仅与滥用抗生素有关
D．耐药性基因频率的改变会导致生物朝着一定的方向进化
分层训练
A组　基础巩固
1．判断正误。
(1)种群基因频率是指某基因占种群所有基因数的比值。　　(　)
(2)在环境条件保持稳定的前提下，种群的基因频率不会发生改变。　　(　)
(3)没有突变，就没有生物的进化。　　(　)
(4)突变具有低频性，不能为生物进化提供原材料。　　(　)
2．某二倍体生物体有100个个体，其常染色体上某基因有A1、A2、A3三个等位基因。对A1、A2、A3进行PCR扩增、凝胶电泳并统计，结果如图所示。该种群中A3的基因频率是（　）
图3　某动物种群A1/A2/A3等位基因凝胶电泳分型与个体数
A．52%　　B．27%　　C．26%　　D．2%
3．核电站泄漏产生的放射性物质会对生物的遗传物质造成损伤，导致突变，甚至造成生物大量死亡。下列有关核辐射及生物变异的叙述，正确的是（　）
A．核辐射属于诱变的物理因素，会使海洋生物发生定向基因突变
B．核辐射只能引发海洋生物基因突变，不会导致染色体变异
C．核辐射可以导致新基因的出现，使种群基因组成发生变化而形成新物种
D．过量的核辐射使DNA和蛋白质失活，可能是导致生物死亡的原因
B组　素养提升
4．某自由交配的植物种群中，基因型为AA、Aa、aa的个体所占比例分别为25%、50%、25%，无突变、无选择、无迁入迁出。
(1)该种群中A、a基因的频率各是多少？
(2)随机交配所得子代中，AA、Aa、aa的基因型频率各是多少？
(3)若继续自由交配多代，A基因频率将发生怎样的变化？
5．为探究某细菌种群对青霉素的耐药性变化，在含青霉素的培养基上连续多代传代培养，并测定每代抑菌圈的直径。若抑菌圈直径逐代减小，下列叙述正确的是（　）
A．青霉素的持续使用诱发了细菌发生耐药性基因突变
B．细菌种群中耐药基因频率逐代升高，生物发生进化
C．青霉素决定了耐药新基因的产生，从而增强细菌的耐药性
D．为避免耐药性，应增大青霉素浓度以杀灭全部细菌
6．某地工厂排放烟尘使当地树木等表面被熏黑，原本以浅色昆虫居多，数年后深色昆虫明显增多。请用种群基因频率的观点解释这一现象。
参考答案
情境导入
1．细菌种群中存在不定向的可遗传变异（耐药性变异），抗生素对细菌进行选择，使耐药基因频率逐代升高，耐药性的增强是抗生素选择（自然选择）的结果，并非抗生素诱发基因突变。
2．两者都是环境（抗生素／被污染的树干）对生物已有的可遗传变异进行选择，使有利变异的基因频率定向升高，种群基因频率发生定向改变。
自主预学
任务一：1．同种　全部个体　2．全部　3．全部等位基因数　4．全部个体
任务二：1．基因突变　染色体变异　基因重组　2．等位基因　基因型　3．不定向的　4．原材料　方向　5．生存环境　6．不断提高　下降　定向
任务三：1．耐药性　2．底部　3．抗生素　4．倒置　5．抑菌圈　6．边缘　7．变小　可遗传变异
探究一
1．基因突变、染色体变异、自然选择、种群个体的迁入迁出等，都会使种群基因库发生改变。
2．B基因频率＝(2×20＋40)/(2×100)×100%＝40%，b基因频率＝1－40%＝60%。
3．子一代基因型频率：BB＝40%×40%＝16%，Bb＝2×40%×60%＝48%，bb＝60%×60%＝36%；子一代B基因频率＝16%＋1/2×48%＝40%，b基因频率＝60%，与亲代相同。
4．会。只要种群数量足够大、随机交配且无选择，基因频率就能保持稳定不变。
典例1：B。
【解析】甲地种群S基因频率＝(80×2＋18)÷(80×2＋18×2＋2×2)×100%＝89%，s基因频率＝1－89%＝11%；乙地种群S基因频率＝(2×2＋8)÷(2×2＋8×2＋90×2)×100%＝6%，A正确。甲地种群S基因频率高、乙地s基因频率高，与两地生活环境有关，甲地污染重故黑色S多，B不正确；生物进化的方向由自然选择决定，C正确；生物进化的实质是种群基因频率的变化，D正确。
对点练1：B。
【解析】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，A正确；基因突变频率受诱导因素影响，与基因频率大小无关，B错误；基因突变、基因重组和自然选择等因素会使种群基因频率不断改变，C正确；自然选择会使原来同一种群的基因频率向不同方向发展，D正确。
探究二
1．在树干变黑的环境下，浅色桦尺蠹（as）个体减少，SS和Ss增多，S基因频率升高、s基因频率降低；原因是环境（树干颜色）发生了改变。
2．直接受选择的是表型，因为天敌看到的是性状而不是基因。
3．不是。只有可遗传的变异才能改变基因频率。
4．可遗传变异包括突变（基因突变和染色体变异）和基因重组。
5．能。突变频率虽低，但种群个体多、每细胞含成千上万的基因，每一代都会产生大量突变。
6．不正确。发生在体细胞中的突变可通过无性繁殖等方式传递给后代，仍能为生物进化提供原材料。
7．生物进化的实质是种群基因频率的改变；判断依据是种群基因频率是否发生改变。
例2：D。
【解析】变异是不定向的，黑色变异本来就存在，环境起选择作用使黑色个体数量增多，A错误；桦尺蠹种群的全部个体所含的全部基因构成该种群基因库，B错误；自然选择通过定向改变种群基因频率使生物朝一定方向进化，C错误、D正确。
对点2：D。
【解析】图甲为大陆环境的翅长分布，不能说明海岛环境最初适合中等翅长昆虫生存，A错误；种群基因库是种群全部个体所含全部基因，B错误；突变和基因重组产生不定向变异，C错误；自然选择使种群基因频率定向改变，D正确。
探究三
1．抑菌圈边缘抗生素浓度较低，可能存在耐药菌，故从抑菌圈边缘挑取细菌；经抗生素多代筛选，耐药性越来越强，抑菌圈直径越来越小。
2．有利。突变具有随机性和不定向性，有利与有害取决于环境；本实验条件下耐药菌存活率高，故为有利变异，但利于细菌的变异对人类可能有害，应辩证看待。
3．会使病菌耐药基因不断累积、耐药性不断增强，最终抗生素失效；还会大量杀死体内正常菌群，造成菌群失调。
例3：C。
【解析】滥用抗生素使细菌耐药性增强是抗生素选择作用的结果，A正确；细菌为原核生物，变异方式一般只有基因突变，偶尔发生基因重组，B正确；抗生素对细菌变异进行选择，但不能决定新基因的产生，C不正确；抗生素使耐药基因频率提高，D正确。
对点3：D。
【解析】基因突变具有不定向性，抗生素只是起选择作用，A错误；使用新品种抗生素可能杀死部分“超级细菌”，进而影响其进化，B错误；由题干知气候变化等环境因素也可增强细菌耐药性，C错误；种群基因频率改变会导致生物进化，D正确。
分层训练
1．(1)×　(2)×　(3)√　(4)×
2．B。
【解析】由电泳图可知，含A3的个体有2个A3A3、15个A1A3、35个A2A3，A3基因频率＝(2×2＋15＋35)÷(100×2)×100%＝27%，B正确。
3．D。
【解析】基因突变具有不定向性，A错误；核辐射除引发生物基因突变外，也会导致真核生物染色体变异，B错误；基因突变产生新基因使基因频率变化发生进化，但不能形成新物种，C错误；DNA是遗传物质、蛋白质承担生命活动，过量核辐射使DNA和蛋白质失活可能导致生物死亡，D正确。
4．(1)A、a基因频率各为50%　(2)AA＝25%、Aa＝50%、aa＝25%　(3)不变
5．B。
6．浅色与深色变异本来存在，环境（树干变黑）使深色个体更易隐藏、存活繁殖机会多，深色基因频率逐代升高、浅色基因频率降低，种群基因频率定向改变，生物发生进化。

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