1、生物学 必修二遗传与进化第6章 生物的进化6.3 种群基因组成的变化与物种的形成一.种群和种群基因库1、种群是生物繁殖的基本单位，也是生物进化的基本单位：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，个体的表型也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。可见，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。2、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，种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。种群的实质：能通过交配进行基因交流的一群个体，不存在地理隔离和生殖隔离。3、种
2、群的基因库和基因频率基因库：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A的基因频率（假设为p）：A/(A+a)*100%a的基因频率（假设为q）：a/(A+a)*100%显然：p+q=1一.种群和种群基因库4、种群基因频率的计算根据定义计算A的基因频率（假设为p）：A/(A+a)*100%a的基因频率（假设为q）：a/(A+a)*100%根据基因关系计算：p+q=1根据基因型计算A的基因频率：AA基因型频率+1/2Aa基因型频率a的基因频率：aa基因型频率+1/2Aa基因型频率对于理想种群，可根据遗传平衡原理计算理想种群：种群足够大、随机交配
3、、没有迁入和迁出、不发生选择、不发生基因突变内容：若A，a基因频率分别为p、q，则种群中AA、Aa、aa基因型频率分别为p2、2pq、q2二.种群基因频率的变化1、影响种群基因频率的因素自然选择：自然选择导致种群基因频率的定向改变，使适应环境的基因的基因频率增加基因突变：是产生新基因的途径，产生新的等位基因，是生物变异的根本来源迁移：包括迁入和迁出遗传漂变：由于个体死亡导致种群基因频率改变，种群越小，现象越明显除此之外，染色体变异、非随机交配等也会引起种群基因频率的改变。二.种群基因频率的变化2、基因突变可以使种群的基因频率发生变化基因突变产生新的等位基因，可以使种群的基因频率发生变化基因突变
4、属于可遗传的变异，是生物变异的根本来源：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（还有吗？）。其中，基因突变和染色体变异统称为突变。基因突变为生物进化提供了丰富的原材料：生物自发突变的频率很低，但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。许多突变是有害的，但突变的有害和有利也不是绝对的，往往取决于生物的生存环境。基因突变是基因重组的基础，基因重组为生物进化提供了丰富的原材料，对生物进化具有重要的意义：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
5、多样的基因型，从而使种群中出现多种多样可遗传的变异类型。突变和重组都是随机的、不定向的，它们只提供进化的原材料，不能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1、先有突变和基因重组产生进化的原材料，再有自然选择进行选择。2、案例分析：英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蛾（其幼虫叫桦尺蠖）。它们夜间活动，白天栖息在树干上。杂交实验表明，桦尺蛾的体色受一对等位基因S和s控制，黑色（S）对浅色（s）是显性的。在19世纪中叶以前，桦尺蛾几乎都是浅色型的，该种群中S基因的频率很低，在5%以下。到了20世纪中叶，黑色型的桦尺蛾却成了常见的类型，S基因的频率上升到95%以上。19世纪时，曼彻斯特地区
6、的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。三.自然选择对种群基因频率变化的影响1、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？2、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？3、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？1、答案：2、答案：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。3、答案：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
7、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。三.自然选择对种群基因频率变化的影响3、自然选择导致种群基因频率的定向改变，决定生物进化的方向：在自然选择的作用下，具有有利变异的个体有更多的机会产生后代，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留下后代的机会少，种群中相应基因的频率会下降。因此，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。四.探究实践：探究抗生素对细菌的选择作用1、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
8、菌有可能存活下来。2、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3、材料用具：经高温灭菌的牛肉膏蛋白胨液体培养基及固体培养基平板，细菌菌株（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等），含有抗生素（如青霉素、卡那霉素等）的圆形滤纸片（以下简称“抗生素纸片”），不含抗生素的纸片，镊子，涂布器，无菌棉签，酒精灯，记号笔，直尺等。4、方法步骤（1）用记号笔在培养皿的底部画2条相互垂直的直线，将培养皿分为4个区域，分别标记为-。（2）取少量细菌的培养液，用无菌的涂布器（或无菌棉签）均匀地涂抹在培养基平板上。（3）用无菌的镊子先夹取1张不含抗生素的纸片放在号区域的中央，再分别夹
9、取1张抗生素纸片放在-号区域的中央，盖上皿盖。（4）将培养皿倒置于37的恒温箱中培养12-16小时。（5）观察培养基上细菌的生长状况。纸片附近是否出现了抑菌圈？如果有，测量和记录每个实验组中抑菌圈的直径，并取平均值。（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，然后重复步骤2-5。如此重复几代，记录每一代培养物抑菌圈的直径。四.探究实践：探究抗生素对细菌的选择作用5、结果和讨论实验结束后，为何应将耐药菌、培养基、纸片等进行高温灭菌处理？在培养基上是否有细菌生长？在放有抗生素纸片的区域呢？在连续培养几代后，抑菌圈的直径发生了什么变化？这说明抗生素对细菌产生了什么作用？为什么
10、要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？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。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？你认为你的数据和结论是有效的吗？（提示：将你的数据和结论与其他同学的进行比较。）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？五.隔离在物种形成中的作用1、如何判断两个种群是不是同一个物种：同种生物的不同种群，由于突变和选择因素的不同，其基因组成可能会朝不同的方向改变，导致种群间出现形态和生理上的差异，如前文中深色和
11、浅色的桦尺蠖，它们还是一个物种吗？2、物种的概念：在遗传学和生物进化论的研究中，把能够在自然状态下相互交配并且产生可育后代的一群生物称为一个物种。不同物种之间存在生殖隔离。实例：马和驴虽然能够交配，但是产生的后代骡是不育的，因此，马和驴之间存在生殖隔离，它们属于两个物种。五.隔离在物种形成中的作用3、隔离：不同群体间的个体，在自然条件下基因不能自由交流的现象生殖隔离：不同物种之间不能交配，或者即使交配成功也不能产生可育后代的现象。地理隔离：同种生物由于地理障碍而分成不同的种群，使得种群间不能发生基因交流的现象4、隔离在物种形成中的作用五.隔离在物种形成中的作用4、隔离在物种形成中的作用实例加拉
12、帕戈斯群岛多种地雀的形成：这是达尔文在环球号察中观察到的现象。在加在帕戈斯群岛上生活着13种地雀，这些地雀的喙差别很大，不同种之间存在生殖隔离，而在辽阔的南美洲大陆上，却看不到这13种地雀的踪影。加拉帕戈斯群岛位于南美洲附近的太平洋中，由13个主要岛屿组成，这些岛屿与南美洲大陆的距离为160-950km。不同岛屿的环境有较大差别，比如岛的低洼地带，布满棘刺状的灌丛；而在只有大岛上才有的高地，则生长着茂密的森林。这些岛屿是500万年前由海底的火山喷发后形成的。比南美洲大陆的形成晚得多。因此，可以推测这些地雀的共同祖先来自南美洲大陆，以后在各个岛屿上形成了不同的种群。讨论1.设想南美洲大陆的一种地
13、雀来到加拉帕戈斯群岛后，先在两个岛屿上形成两个初始种群。这两个种群的个体数量都不多。它们的基因频率一样吗？2.不同岛屿上的地雀种群，产生突变的情况一样吗？3.对不同岛屿上的地雀种群来说，环境的作用有没有差别？这对种群基因频率的变化会产生什么影响？4.如果这片海域只有一个小岛，还会形成这么多种地雀吗？五.隔离在物种形成中的作用4、隔离在物种形成中的作用加拉帕戈斯群岛的多种地雀的形成：这些地雀的祖先属于同一个物种，从南美洲大陆迁来后，逐渐分布到不同的岛屿上。由于各个岛上的地雀种群可能会出现不同的突变和基因重组，而一个种群的突变和基因重组对另一个种群的基因频率没有影响。因此，不同种群的基因频率就会发生不同的变化。由于各个岛上的食物和栖息条件互不相同，自然选择对不同种群基因频率的改变所起的作用就有差别：在一个种群中，某些基因被保留下来，而在另一个种群中，被保留下来的可能是另一些基因。久而久之，这些种群的基因库就会形成明显的差异，并逐渐出现生殖隔离。生殖隔离一旦形成，原来属于一个物种的地雀，就成了不同的物种。由此可见，隔离是物种形成的必要条件。5、物种形成的意义：物种形成本身表示生物类型的增加。同时它也意味着生物能够以新的方式利用环境条件，从而为生物的进一步发展开辟新的前景。
