資源簡介

種群基因組成的變化與物種的形成
【學習目標】
1．舉例說明種群、基因庫、基因頻率的概念，學會用數學方法討論基因頻率的變化。
2．結合教材闡明突變和基因重組是生物進化的原材料。3.探究自然選擇對種群基因頻率的影響。
【學習重點】
舉例說明種群、基因庫、基因頻率的概念，學會用數學方法討論基因頻率的變化。
【學習難點】
結合教材闡明突變和基因重組是生物進化的原材料。3.探究自然選擇對種群基因頻率的影響。
【學習過程】
知識點一：種群和種群基因庫
知識梳理
1．種群是生物進化的基本單位
自然選擇直接作用的是生物個體，而且是個體的表型，但個體表型會隨著個體的死亡而消失，決定表型的基因卻可以通過生殖而世代延續，并且在群體中擴散，因此生物進化應該研究群體的基因組成的變化。
2．種群和種群基因庫
(1)種群概念：生活在一定區域的同種生物的全部個體的集合。
(2)種群特點
①種群中的個體并不是機械地集合在一起。
②一個種群其實就是一個繁殖的單位，雌雄個體可以通過繁殖將各自的基因遺傳給后代。
③種群在繁衍過程中，個體有新老交替，基因卻代代相傳。
(3)基因庫和基因頻率
①基因庫：一個種群中全部個體所含有的全部基因，叫作這個種群的基因庫。
②基因頻率
a．概念：在一個種群基因庫中，某個基因占全部等位基因數的比值。
b．計算公式：基因頻率＝。,
思維空間
問題探究：種群的基因庫是一直不變的嗎？試分析原因。
提示：不是。基因突變、染色體變異、自然選擇、種群個體的遷入、遷出等都會使種群的基因庫發生改變。
典例精析
[例1]德國小蠊(二倍體)是常見的室內昆蟲。隨機取樣的德國小蠊個體中，ss個體數為6，SS個體數為26，Ss個體數為18。則s的基因頻率為（ ）
A．0.26 B．0.3
C．0.46 D．0.58
解題分析：s的基因頻率＝＝×100%＝30%。
答案：B
[例2]蝸牛的有條紋(A)對無條紋(a)為顯性。在一個地區的蝸牛種群內，有條紋(AA)個體占55%，無條紋個體占15%，若蝸牛間進行自由交配得到F1，則A基因的頻率是（ ）
A．30% B．62%
C．60% D．70%
解題分析：根據題意可知，Aa個體占30%，則A的基因頻率為55%＋30%×1/2＝70%，a的基因概率為15%＋30%×1/2＝30%，D正確。
答案：D
[例3]在一次紅綠色盲的調查中共調查男女各200名，調查發現，女性紅綠色盲基因的攜帶者15人，女性色盲5人，男性色盲11人。那么這個群體中紅綠色盲基因的頻率是（ ）
A．4.5% B．6%
C．9% D．7.8%
解題分析：XBXb15人，XbXb5人，XbY 11人，所以基因b的數目＝15×1＋5×2＋11×1＝36個，因此，紅綠色盲基因的頻率＝×100%＝6%。
答案：B
[例4]在某一遵循遺傳平衡定律的人群中，經調查得知，隱性性狀者為16%，則該性狀不同類型的基因型頻率分別是(按AA、Aa、aa順序排列) （ ）
A．0.36、0.48、0.16 B．0.48、0.36、0.16
C．0.16、0.48、0.36 D．0.16、0.36、0.38
解題分析：由題干可知，該人群中隱性性狀者為16%，即aa＝16%，根據遺傳平衡公式a2＝aa基因型頻率可得，a的基因頻率是%即40%，A的基因頻率是1－40%＝60%，因此該人群中AA的基因型頻率＝(A的基因頻率)2＝60%×60%＝0.36，Aa的基因型頻率＝2×(A的基因頻率)×(a的基因頻率)＝2×40%×60%＝0.48，A正確。
答案：A
技法提升
有關基因頻率計算題的解法
(1)常染色體上基因頻率的計算
①已知各基因型及其個體的數量，求基因頻率。此類題型可用定義公式計算，即某基因的頻率＝[(該基因純合子個體數×2＋雜合子個體數)÷(總個體數×2)]×100%。
②已知基因型頻率，求基因頻率。此類題型可以將百分號去掉，按定義公式計算或直接用“某基因的基因頻率＝該基因純合子的百分比＋雜合子百分比的1/2”來代替。如基因A的頻率＝AA的頻率＋1/2Aa的頻率，基因a的頻率＝1－基因A的頻率。
(2)位于性染色體上基因頻率的計算
A的基因頻率＝
×100%，
a的基因頻率＝
×100%。
(N表示基因型的個體數)
(3)遺傳平衡狀態下基因頻率的計算
①遺傳平衡狀態的條件：
a．種群非常大。
b．種群中所有的雌雄個體間都能自由交配并產生后代。
c．沒有基因突變的發生。
d．沒有遷入和遷出。
e．沒有自然選擇(不同個體生存和繁殖的機會是相等的)。
②基因頻率與基因型頻率的計算公式
設A的基因頻率為p，a的基因頻率為q，則p＋q＝1。
雄配子 雌配子 A(p) a(q)
A(p) AA(p2) Aa(pq)
a(q) Aa(pq) aa(q2)
即：AA的基因型頻率＝p2，Aa的基因型頻率＝2pq，aa的基因型頻率＝q2。
③若已知AA的基因型頻率為m，則A的基因頻率為。
知識點二：種群基因頻率的變化和自然選擇對種群基因頻率的影響
知識梳理
1．種群基因頻率的變化
(2)可遺傳變異的形成
基因突變產生新的等位基因，通過有性生殖過程中的基因重組，可以形成多種多樣的基因型，從而使種群中出現多種多樣可遺傳的變異類型。
(3)變異的有利和有害是相對的，是由環境決定的。
2．自然選擇對種群基因頻率的影響
(1)實例分析(樺尺蠖體色進化)
(2)原理分析
(3)生物進化的實質：在自然選擇的作用下，種群的基因頻率會發生定向改變，導致生物朝著一定的方向不斷進化。
典例精析
[例1]根據現代生物進化理論，下列說法正確的是（ ）
A．突變、重組和自然選擇都是定向的
B．生物進化的實質是種群基因型頻率的改變
C．種群內基因頻率的改變在世代間具有連續性
D．種群內基因頻率改變的偶然性隨種群數量下降而減小
解題分析：突變和重組是不定向的，自然選擇是定向的，A錯誤；生物進化的實質是種群基因頻率的改變，B錯誤；種群中基因頻率的改變在世代間具有連續性，導致生物不斷進化，C正確；種群中基因頻率改變的偶然性隨種群數量下降而增大，D錯誤。
答案：C
[例2]下列有關基因頻率與生物進化的描述，正確的是（ ）
A．生物在進化的過程中不一定有基因頻率的改變
B．生物只要發生進化，基因頻率就會改變
C．變異使基因頻率定向改變
D．只有基因突變，才導致基因頻率發生改變
解題分析：生物進化的實質是種群基因頻率的改變，只要生物進化了，基因頻率一定發生了改變，A錯誤，B正確；變異是不定向的，自然選擇可使基因頻率發生定向改變，C錯誤；基因頻率的改變與突變、遷入和遷出、自然選擇等多種因素有關，D錯誤。
答案：B
知識點三：探究抗生素對細菌的選擇作用
知識梳理
1．原理：一般情況下，一定濃度的抗生素會殺死細菌，但變異的細菌可能產生耐藥性。在實驗室連續培養細菌時，如果向培養基中添加抗生素，耐藥菌有可能存活下來。
2．目的要求：通過觀察細菌在含有抗生素的培養基上的生長狀況，探究抗生素對細菌的選擇作用。
3．方法步驟
(1)用記號筆在培養皿的底部畫2條相互垂直的直線，將培養皿分為4個區域，分別標記為①～④。
(2)取少量細菌的培養液，用無菌的涂布器(或無菌棉簽)均勻地涂抹在培養基平板上。
(3)用無菌的鑷子先夾取1張不含抗生素的紙片放在①號區域的中央，再分別夾取1張抗生素紙片放在②～④號區域的中央，蓋上皿蓋。
(4)將培養皿倒置于37_℃的恒溫箱中培養12～16 h。
(5)觀察培養基上細菌的生長狀況。紙片附近是否出現了抑菌圈？如果有，測量和記錄每個實驗組中抑菌圈的直徑，并取平均值。
(6)從抑菌圈邊緣的菌落上挑取細菌，接種到已滅菌的液體培養基中培養，然后重復步驟(2)～(5)。如此重復幾代，記錄每一代培養物抑菌圈的直徑。
注意：實驗結束后，應將耐藥菌、培養基、紙片等進行高溫滅菌處理。
4．結果
在培養基上有(填“有”或“無”)細菌生長，在放有抗生素紙片的區域無(填“有”或“無”)細菌生長。連續培養幾代后，抑菌圈的直徑會變小。
5．結論
抗生素對細菌具有定向選擇作用。
思維空間
問題探究：為什么要從抑菌圈邊緣的菌落上挑取細菌？
提示：抗生素能夠殺死細菌，在抑菌圈邊緣抗生素濃度較低，可能存在具有耐藥性的細菌，因此要從抑菌圈邊緣的菌落上挑取細菌。
問題探究：在本實驗的培養條件下，耐藥菌所產生的變異是有利還是有害的？你怎么理解變異是有利還是有害的？
提示：有利的，基因突變具有隨機性和不定向性，有利或有害取決于所處的環境條件，在本實驗的環境條件下，耐藥性細菌的存活率高，故為有利變異。有利于細菌的變異對人類是有害的，面對不同的主體，應辯證地看待變異的有利有害性。
問題探究：濫用抗生素的現象十分普遍。例如，有人生病時覺得去醫院很麻煩，就直接吃抗生素；有的禽畜養殖者將抗生素添加到動物飼料中。你認為這些做法會有什么后果？
提示：濫用抗生素會使病菌的抗藥基因不斷積累，抗藥性不斷增強，導致抗生素藥物失效。
典例精析
[例1]2015年4月14日《楚天都市報》報道：湖北爆發致命超級細菌，導致一名3歲男童死亡。超級細菌是指對多數抗生素耐藥的細菌，能讓抗生素失效造成人體嚴重感染。下列關于超級細菌的敘述不符合達爾文進化觀點的是（ ）
A．超級細菌對多數抗生素具有耐藥性，是抗生素不斷選擇的結果
B．細菌中原來就存在對抗生素具有耐藥性的個體
C．抗生素的選擇和細菌的變異都是定向的
D．新品種抗生素的使用會影響超級細菌的進化
解題分析：抗生素的選擇是人為條件下的選擇，是定向的，但細菌的變異是非定向的，C項符合題意；細菌中本來就有對抗生素具有耐藥性的和不具有耐藥性的個體，在抗生素的使用過程中，具有耐藥性的細菌存活下來，并將這種耐藥性遺傳給下一代，不具有耐藥性的細菌死亡，所以超級細菌對多數抗生素具有耐藥性是抗生素不斷選擇的結果，A項和B項均不符合題意；環境的定向選擇作用決定著生物進化的方向，當環境因素發生改變時，會影響生物進化的方向，所以新品種抗生素的使用會影響超級細菌的進化，D項不符合題意。
答案：C
[例2]醫學上在治療由細菌引起的感染性疾病時，通常要進行細菌的耐藥性監測，實驗方法如下：將含有一定濃度但抗生素種類不同的濾紙片，放置在已接種被檢菌的固體培養基表面，抗生素向周圍擴散，如果抑制細菌生長，則在濾紙片周圍出現抑菌圈(圖中里面的圈)，結果如圖所示。
(1)圖中最有效的是________培養皿中的抗生素，原因是________________________。
(2)用上述最有效的抗生素對細菌進行處理，并測定細菌數量變化，實驗結果如圖所示，向培養基中加抗生素的時刻為b點，理由是抗生素使細菌中____________的個體大量死亡而數量下降。盡管有抗藥性基因存在，但使用抗生素仍然能治療由細菌引起的感染，原因在于細菌種群中________________________________。
(3)如果長期使用同一種抗生素，細菌抗藥性會增強的原因是________________________________________________________。
解題分析：(1)抗生素抑制細菌生長的作用越強，抑菌圈的直徑越大。
(2)b點處細菌數量減小，雖然細菌中極少數具有抗藥性，但大多數不具有抗藥性的細菌能夠被殺死。
(3)抗生素不斷對細菌進行選擇，抗藥性不斷積累。
答案：(1)B B的抑菌圈最大
(2)不具抗藥性 有抗藥性基因的個體占極少數
(3)抗生素對細菌的抗藥性變異進行了定向選擇
當堂檢測
1．對種群概念的正確敘述是（ ）
A．不同空間中同種生物個體的總和
B．生活在一定區域的同種生物的全部個體
C．一片水田中的所有魚的總和
D．一個生態環境中有相互關系的動植物的總和
答案：B
2．下列可作為一個基因庫的是（ ）
A．一條染色體上的全部基因
B．一個個體所攜帶的全部基因
C．一個生物具有的全部基因
D．一個種群所含的全部基因
答案：D
3．下列哪項不是生物進化的原材料（ ）
A．基因突變 B．基因重組
C．不遺傳的變異 D．染色體變異
答案：C
解析：突變和基因重組為生物進化提供了原材料，其中突變又包括基因突變和染色體變異。
4．生物的變異可以為進化提供原材料。下列關于變異與進化的敘述，不正確的是（ ）
A．自然選擇直接選擇的是個體的表型
B．種群中控制某一性狀的全部等位基因的總和稱為基因庫
C．自然選擇導致種群的基因頻率發生定向改變
D．樺尺蠖種群顏色的變化是一種適應性進化，這種適應性變化是自然選擇所造成的
答案：B
解析：一個種群中全部個體所含有的全部基因，稱為這個種群的基因庫，B錯誤。
5．某植物種群中，AA基因型個體占30%，aa基因型個體占20%，則：
(1)植物種群中的A、a基因頻率分別是________、________。
(2)若該植物自交，后代中AA、aa基因型個體分別占________、________。這時，A、a的基因頻率分別是________、________。
(3)依據現代生物進化理論，這種植物是否發生了進化？________________。原因是________。
(4)進化的基本單位是________，進化的原材料是由____________提供的，進化的實質是________________。
答案：(1)55% 45%
(2)42.5% 32.5% 55% 45%
(3)沒有發生進化 種群的基因頻率沒有發生改變
(4)種群 突變和基因重組 種群基因頻率的改變
解析：(1)由題意可知，Aa基因型個體占50%，則A的基因頻率＝30%＋50%×＝55%，a的基因頻率＝1－55%＝45%。
(2)(3)若該植物自交，后代中產生的基因型比例為：AA＝30%＋×50%＝42.5%；aa＝20%＋×50%＝32.5%；Aa＝×50%＝25%。此時A、a的基因頻率分別為A＝42.5%＋25%×＝55%，a＝1－55%＝45%。通過計算可以發現前后代的基因頻率沒有發生改變，說明生物沒有發生進化。
(4)種群是生物進化的基本單位，突變和基因重組提供了進化的原材料，生物進化的實質是種群基因頻率的改變。
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