資源簡介

人教生物(2019版)必修2教學案
6-3 種群基因組成的變化與物種的形成
學有目標——課標要求必明 記在平時——核心語句必背
1.闡述種群、種群基因庫、基因頻率等概念的內涵。 2.運用數學方法討論種群基因頻率的變化。 3.闡明自然選擇對種群基因頻率變化的影響。 4.說明隔離在物種形成中的作用。 1.種群是生物進化的基本單位。 2.突變和基因重組提供進化的原材料。 3.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。 4.隔離是物種形成的必要條件。
【主干知識梳理】
一、種群和種群基因庫
1．種群
(1)概念：三要素
(2)特點：種群是生物進化和繁殖的基本單位。
2．基因庫：一個種群中全部個體所含有的全部基因。
3．基因頻率：在一個種群基因庫中，某個基因占全部等位基因數的比值。
二、種群基因頻率的變化
1．可遺傳的變異來源
2．可遺傳的變異的形成
(1)可遺傳的變異的形成：基因突變產生的等位基因，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。
(2)可遺傳的變異的特點
(3)可遺傳的變異的結果：使種群基因頻率發生了改變。
3．可遺傳的變異的利害性
變異的有利和有害是相對的，是由生存環境決定的。
4．種群基因突變數的計算方法
某種群基因突變數＝個體基因數×突變率×個體數。
三、自然選擇對種群基因頻率變化的影響
1．原因：在自然選擇的作用下，具有有利變異的個體有更多的機會產生后代，種群中相應基因的頻率會不斷提高；相反，具有不利變異的個體留下后代的機會少，種群中相應基因的頻率會下降。
2．選擇的對象
(1)直接作用對象：個體的表型。
(2)實質：決定表型的基因。
3．選擇的結果
(1)生物性狀上：朝著有利變異的方向不斷進化。
(2)基因上：種群的基因頻率會發生定向改變。
4．進化的實質：種群基因頻率的改變。
四、隔離在物種形成中的作用
1．物種與隔離
(1)物種
(2)隔離。
①概念：不同群體間的個體，在自然條件下基因不能自由交流的現象。
②常見類型：
類型 發生范圍 結果
生殖隔離 不同物種間 a.不能相互交配 b.即使交配成功，也不能產生可育后代
地理隔離 同種生物 使種群間不能發生基因交流
2．隔離在物種形成中的作用
(1)新物種的形成過程：
(2)結論：隔離是物種形成的必要條件。
【教材微點發掘】
1．請根據圖示，結合教材相關內容，回答下列問題：
(1)樺尺蛾種群中產生的可遺傳變異的類型有突變(包括基因突變和染色體變異)和基因重組。
(2)對樺尺蛾種群來說，在自然選擇過程中直接受選擇的是表型還是基因型？請說明理由。
提示：直接受選擇的是表型，因為天敵看到的是性狀，而不是控制性狀的基因。
(3)樺尺蛾種群發生(填“發生”或“沒發生”)進化。生物進化的實質是種群基因頻率的改變。
(4)決定樺尺蛾進化方向的是變異還是自然選擇？為什么？
提示：自然選擇。因為變異是不定向的，自然選擇是定向的，自然選擇決定生物進化的方向。
2．斑馬的染色體數為22對，驢的染色體數為31對，斑馬和驢雜交產生的后代兼具斑馬和驢的特征，稱為斑驢獸或驢斑獸，俗稱“斑驢”。(教材第118頁練習“拓展應用”第1題發掘)
(1)雜交產生的后代是不可育的，因為斑馬和驢存在生殖隔離。
(2)從染色體組的角度解釋雜交產生的后代不可育的原因是斑馬和驢的雜交后代染色體數為53條，無法通過減數分裂產生正常的配子。
教材問題提示
(一)思考·討論1(教材第111頁)
1．(1)A配子占60%，a配子占40%。
(2)子代的基因型頻率：AA占36%，Aa占48%，aa占16%。
(3)子代種群的基因頻率：A占60%，a占40%。
(4)計算結果如表所示：
親代基因型的比值 AA(30%) Aa(60%) aa(10%)
配子的比值 A(30%) A(30%) a(30%) a(10%)
子代基因型頻率 AA(36%) Aa(48%) aa(16%)
子代基因頻率 A(60%) a(40%)
子二代、子三代以及若干代以后，種群的基因頻率會同子一代一樣。
2．對自然界的種群來說，這5個條件不可能同時都成立。例如，翅色與環境色彩較一致的，被天敵發現的機會就少些。
3．突變產生的新基因會使種群的基因頻率發生變化。基因A2的頻率是上升還是下降，要看這一突變對生物是有利的還是有害的。
(二)探究·實踐1(教材第112、113頁)
1．樹干變黑會影響樺尺蛾種群中淺色個體的出生率，這是因為樹干變黑后，淺色個體容易被發現，被捕食的概率增加，許多淺色個體可能在沒有交配、產卵前就已被天敵捕食，導致其個體數減少，影響出生率。
2．直接受選擇的是表型(體色)，而不是基因型。基因型并不能在自然選擇中起直接作用，因為天敵在捕食樺尺蛾時，看到的是樺尺蛾的體色而不是控制體色的基因。
(三)探究·實踐2(教材第115頁)
1．因為抑菌圈邊緣生長的細菌可能是耐藥菌。
2．支持。因為變異是不定向的，普遍存在的，所以細菌中耐藥菌是普遍存在的。
3．在本實驗條件下，耐藥菌產生的變異一般來說是有利的，有利于生物在特定環境中生存和繁殖的變異在此環境中就是有利變異。
4．將自己實驗獲得的數據與其他同學的進行比較，根據實際情況來回答。
5．這些做法都會促進耐藥菌的產生。
(四)思考·討論2(教材第117頁)
1．由于這兩個種群的個體數量都不夠多，基因頻率可能是不一樣的。
2．不一樣。因為突變是隨機發生的。
3．不同島嶼的地形和植被條件不一樣，因此環境的作用會有差別，導致種群基因頻率朝不同的方向改變。
4．不會。因為個體間有基因的交流。
(五)旁欄思考(教材第118頁)
最先在裸露的巖石上生長的植物往往是地衣，地衣的出現促進巖石的分解，形成土壤，為苔蘚植物的生長創造條件。
新知探究(一)　基因頻率的相關計算
【拓展·深化】
(一)基因頻率和基因型頻率的計算
以一對等位基因(A、a)和其組成的基因型(AA、Aa、aa)為例
1．A或a的基因頻率為
×100%
2．AA或Aa或aa的基因型頻率為
×100%
(二)常見題型分析
1．題型一　已知調查的各種基因型的個體數，計算基因頻率
某基因頻率＝×100%
A＝×100%
a＝×100%
A、a為基因，AA、Aa、aa為三種基因型個體數。
2．題型二　已知基因型頻率求基因頻率
常染色體上一個等位基因的頻率＝該等位基因純合子的頻率＋1/2×雜合子的頻率
A＝AA＋1/2Aa；a＝aa＋1/2Aa。
3．題型三　X染色體上基因的基因頻率計算
XY型性別決定的生物，基因在X染色體上，Y染色體上無等位基因，計算時只計算X染色體上的基因數，不考慮Y染色體。ZW型性別決定也是這樣。例如：N表示個體數。
Xb＝＝
不涉及Y染色體，XB＋Xb＝1。
4．題型四　利用哈迪 溫伯格定律，由基因頻率計算基因型頻率
①成立前提：
a．種群非常大；b.所有雌雄個體之間自由交配；c.沒有遷入和遷出；d.沒有自然選擇；e.沒有基因突變。
②計算公式：當等位基因只有兩個時(A、a)，設p表示A的基因頻率，q表示a的基因頻率，則：
基因型AA的頻率＝p2；
基因型Aa的頻率＝2pq；
基因型aa的頻率＝q2。
如果一個種群達到遺傳平衡，其基因型頻率應符合：p2＋2pq＋q2＝1。
[思考·討論]
(1)在一個種群中隨機抽出一定數量的個體，其中基因型AA的個體占24%，基因型Aa的個體占72%，基因型aa的個體占4%。該種群中基因A和基因a的頻率分別是多少？
提示：A%＝AA%＋1/2Aa%＝60%；a%＝aa%＋1/2Aa%＝40%。
(2)某工廠有男女職工各200名，對他們進行調查時發現，女性色盲基因的攜帶者為15人，患者為5人，男性患者為11人。那么，這個群體中色盲基因的頻率為多少？
提示：色盲是伴X染色體隱性遺傳病，設相關基因用B、b表示，據題意分析可知，XBXb有15人，XbXb有5人，XbY有11人，所以Xb共有36個，女性有2條X染色體，男性只有1條X染色體，所以等位基因總數＝200×2＋200＝600。因此，Xb的基因頻率是36/600×100%＝6%。
【典題·例析】
[典例1]　果蠅的長翅(V)和殘翅(v)由一對常染色體上的等位基因控制。假定某果蠅種群有20 000只果蠅，其中殘翅果蠅個體數量長期維持在4%，若再向該種群中引入20 000只純合長翅果蠅，在不考慮其他因素影響的前提下，關于純合長翅果蠅引入后種群的敘述，錯誤的是(　　)
A．v基因頻率降低了50%
B．V基因頻率增加了50%
C．雜合果蠅比例降低了50%
D．殘翅果蠅比例降低了50%
[解析]　因該果蠅種群vv的基因型頻率為4%，由遺傳平衡定律公式算出v基因頻率＝0.2，V基因頻率＝0.8，進而計算出引入純種長翅果蠅前，基因型為vv的果蠅有0.04×20 000＝800(只)，基因型為Vv的果蠅有2×0.2×0.8×20 000＝6 400(只)，基因型為VV的果蠅有0.8×0.8×20 000＝12 800(只)。再引入20 000只純合長翅果蠅后，v基因頻率＝(800×2＋6 400)/(40 000×2)＝0.1，V＝1－0.1＝0.9，A正確，B錯誤；因基因型為Vv、vv的果蠅數目不變，而該種群的總數增加一倍，所以Vv、vv的基因型頻率降低了50%，C、D正確。
[答案]　B
[典例2]　在一個隨機交配的中等大小的種群中，經調查發現控制某性狀的基因型只有兩種：AA基因型的頻率為20%，Aa基因型的頻率為80%，aa基因型(致死型)的頻率為0。那么隨機交配繁殖一代后，AA基因型的個體占(　　)
A．1/5　　　　　　　　 B．1/4
C．3/7 D．11/21
[解析]　根據題干信息，親代中，A的基因頻率為20%＋80%×1/2＝60%，a基因的頻率為80%×1/2＝40%。隨機交配得到的子一代的基因型及其比例為AA∶Aa∶aa＝(60%×60%)∶(2×60%×40%)∶(40%×40%)＝36%∶48%∶16%。又因aa基因型為致死型，故隨機交配繁殖一代后，AA基因型的個體占36%/(36%＋48%)＝3/7。故選C。
[答案]　C
方法規律—————————————————————————————————
自交和自由交配時基因頻率和基因型頻率的變化規律
交配方式 基因頻率 基因型頻率
自交 不改變 改變，且純合子增多，雜合子減少
自由交配 處于遺傳平衡 不改變 不改變
不處于遺傳平衡 不改變 改變
【應用·體驗】
1．某植物種群中，AA基因型個體占30%，aa基因型個體占20%。若該種群植物自交，后代中AA、aa基因型個體出現的頻率以及A、a基因頻率分別為(　　)
A．55%、45%、45%、55%
B．55%、45%、55%、45%
C．42.5%、32.5%、45%、55%
D．42.5%、32.5%、55%、45%
解析：答案：D　由題干信息可知，Aa基因型個體占1－30%－20%＝50%，該種群植物自交后，AA基因型個體占30%＋50%×1/4＝42.5%，aa基因型個體占20%＋50%×1/4＝32.5%，Aa基因型個體占1－42.5%－32.5%＝25%，則a的基因頻率為32.5%＋1/2×25%＝45%，A的基因頻率為1－45%＝55%。故選D。
2．在一個隨機交配的種群中，調查發現AA占20%，Aa占40%，aa占40%，在某種條件發生變化的情況下，顯性個體每年遞增10%，隱性個體每年遞減10%，則一年后A基因的頻率約為(　　)
A．43.1%　B．40%　C．36.7%　D．44%
解析：答案：A　設該種群中有100個個體，則調查時AA為20個，Aa為40個，aa為40個。由題干信息可知，顯性個體每年遞增10%，隱性個體每年遞減10%，則一年后AA為22個，Aa為44個，aa為36個。則此時A的基因頻率為[(22×2)＋44]/[(22＋44＋36)×2]＝88/204≈43.1%。
新知探究(二)　種群基因頻率的變化及自然選擇對生物進化的影響
【拓展·深化】
(一)突變和基因重組產生進化的原材料
(1)由于突變和基因重組都是隨機的、不定向的，因此它們只提供了生物進化的原材料，不能決定生物進化的方向。
(2)變異的有利和有害是相對的，由生存環境決定。
(二)自然選擇決定生物進化的方向
[思考·討論]
(1)所有的變異都能導致種群基因頻率的改變嗎？為什么？
提示：不是。只有可遺傳的變異才能影響種群基因的組成，才能改變基因頻率。
(2)突變具有低頻性，還能為生物進化提供原材料嗎？請說明理由。
提示：能。雖然突變的頻率低，但一個種群往往由許多個體組成，而每一個個體的每一個細胞內都有成千上萬個基因，所以在種群中每一代都會產生大量突變。
(3)生物進化的實質是什么？如何判斷一個種群是否發生了進化？
提示：生物進化的實質是種群基因頻率的改變。判斷的依據是種群基因頻率是否發生改變。
【典題·例析】
[典例1]　白車軸草中有毒物質氫氰酸(HCN)的產生由H、h和D、d兩對等位基因決定，H和D同時存在時，個體產HCN，能抵御草食動物的采食。如圖為某地不同區域白車軸草種群中有毒個體比例，下列分析錯誤的是(　　)
A．草食動物是白車軸草種群進化的選擇壓力
B．城市化進程會影響白車軸草種群的進化
C．與鄉村相比，市中心種群中h的基因頻率更高
D．基因重組會影響種群中H、D的基因頻率
[解析]　草食動物和白車軸草之間的種間關系為捕食，據題干信息“H和D同時存在時，個體產HCN，能抵御草食動物的采食”可知，草食動物是白車軸草種群進化的選擇壓力，A正確；根據曲線圖可知，從市中心到市郊再到鄉村，白車軸草種群中產HCN個體比例增加，說明城市化進程會影響白車軸草種群的進化，B正確；與鄉村相比，市中心種群中產HCN個體比例小，即基因型為D_H_的個體所占比例小，則與鄉村相比，市中心種群中d和h的基因頻率更高，C正確；基因重組是指在生物體進行有性生殖的過程中，控制不同性狀的基因的重新組合，基因重組不會影響種群中H、D的基因頻率，D錯誤。
[答案]　D
[典例2]　18世紀初，一位生物學家在某山谷里發現老鼠種群中有少量的個體有輕微的趾蹼(絕大多數個體無趾蹼)。1900年，由于修筑一條水壩，使老鼠的棲息地成了沼澤。若干年后調查發現，這個山谷的老鼠絕大部分有趾蹼，偶爾才能找到少數無趾蹼的老鼠。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．有趾蹼的老鼠是適應沼澤環境的類型
B．若山谷中老鼠過度繁殖，將導致生存斗爭加劇
C．為了適應沼澤環境，沒有趾蹼的老鼠長出了趾蹼
D．老鼠性狀比例變化的本質是種群基因頻率的改變
[解析]　沼澤中絕大部分老鼠有趾蹼，少數無趾蹼，說明有趾蹼的老鼠是適應沼澤環境的類型，A正確；若山谷中老鼠過度繁殖，則它們之間競爭食物、生存空間等加劇，即將導致生存斗爭加劇，B正確；有趾蹼的性狀在環境變化前就已經突變形成，而不是沒有趾蹼的老鼠為了適應環境而長出了趾蹼，C錯誤；老鼠性狀比例變化的本質是種群基因頻率的改變，D正確。
[答案]　C
歸納拓展—————————————————————————————————
變異與選擇之間的關系
(1)變異是不定向的，在自然選擇的作用下，基因頻率發生定向改變，導致自然選擇是定向的。
(2)自然選擇的過程十分緩慢，其結果符合優勝劣汰、適者生存的原則。
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【應用·體驗】
1．下列有關變異和進化的說法，正確的是(　　)
A．自然選擇決定了基因突變的方向
B．若沒有外界因素的影響，基因就不會發生突變
C．自然界中即使沒有突變發生，生物也會進化
D．在生物進化過程中，顯性基因頻率比隱性基因頻率增加得快
解析：答案：C　基因突變是不定向的，自然選擇決定生物進化的方向，但不能決定基因突變的方向，A錯誤；若沒有外界因素的影響，在生物體內部因素的作用下，基因也會發生突變，B錯誤；突變和基因重組、自然選擇等都會導致種群的基因頻率發生變化，因此自然界中即使沒有突變發生，生物也會進化，C正確；在生物進化過程中，種群基因頻率總是變化的，而基因頻率的改變方向決定于自然選擇，顯性基因頻率與隱性基因頻率增加的快慢取決于哪種性狀表現更能適應當前環境，D錯誤。
2．等位基因F＋、F控制某食草昆蟲的長翅和短翅，原種群中F＋基因頻率為80%，隨機分布到三座孤島上后因風力較大，阻礙了孤島間個體基因交流。下列說法正確的是(　　)
A．該昆蟲原種群中雜合長翅個體所占比例約為16%
B．孤島上該昆蟲種群中F基因頻率可能會升高
C．新出現的無翅個體是大風環境造成的基因突變且突變率與風力大小呈正相關
D．每個島嶼上的種群個體間自由交配，種群基因頻率不發生變化
解析：答案：B　F＋基因控制長翅，其基因頻率為80%，則該昆蟲原種群中，雜合長翅個體的比例約為80%×20%×2＝32%，A錯誤；孤島上風力大，長翅昆蟲不易成活，而短翅食草昆蟲的生存機會增大，從而導致孤島上該昆蟲種群中F基因頻率可能會升高，B正確；基因突變是不定向的，大風不能使該昆蟲產生無翅突變體，僅起選擇作用，C錯誤；每個島嶼上自然選擇等因素會導致種群基因頻率發生改變，D錯誤。
新知探究(三)　隔離在物種形成中的作用
【探究·深化】
[問題驅動]　
如圖是我國黃河兩岸某種生物a的演化過程模式圖，請據圖分析回答下列問題：
(1)自然狀態下，b、c之間能進行基因交流嗎？為什么？
提示：不能，因為存在地理隔離。
(2)b、c的進化方向相同嗎？為什么？
提示：不同。因為b、c兩種群生活的環境不同，自然選擇的方向不同，基因頻率改變的方向就不同。
(3)研究表明，某基因的頻率在b、d之間有很大差別，是否說明二者不是同一物種？
提示：不能。某個基因頻率的差別不能說明二者不是同一物種，只有基因庫的差別大到可以形成生殖隔離才能說明二者不是同一物種了。
(4)黃河北岸的b物種遷到黃河南岸后，不與c物種進化為同一物種，其原因可能是什么？
提示：二者間已形成生殖隔離。
(5)若在黃河南岸，由于某種原因，二倍體c的染色體加倍成了四倍體e，那么c和e還是同一物種嗎？為什么？
提示：二倍體c與四倍體e不是同一物種，因為二者雜交的后代為三倍體，高度不育，存在生殖隔離。
[重難點撥]　
一、地理隔離和生殖隔離的比較
1．圖中A屬于地理隔離，一旦發生某種地質變化，兩個分開的小種群若重新相遇，可以再融合在一起。
2．圖中B屬于生殖隔離，一旦形成就保持物種間基因的不可交流性，從而保證了物種的相對穩定。
3．地理隔離是物種形成的量變階段，生殖隔離是物種形成的質變階段。
二、物種形成的兩種方式
(一)漸變式
此方式經過長期的地理隔離達到生殖隔離，形成新物種。
(二)爆發式
此方式通過異源多倍體的染色體變異方式形成新物種，一旦出現，在很短時間內即可形成生殖隔離(基因頻率改變)。
三、物種形成與生物進化的關系
內容 物種形成 生物進化
標志 生殖隔離出現 種群基因頻率改變
變化后生物與原生物的關系 屬于不同物種 可能屬于一個物種
二者關系 生物進化的實質是種群基因頻率的改變，這種改變可大可小，不一定會突破物種的界限，生物進化不一定會導致新物種的形成
【典題·例析】
[典例1]　稻蝗屬的三個近緣物種①日本稻蝗、②中華稻蝗臺灣亞種和③小翅稻蝗中，①與②、①與③的分布區域有重疊，②與③的分布區域不重疊。為探究它們之間的生殖隔離機制，進行了種間交配實驗，結果如表所示。下列敘述錯誤的是(　　)
交配(♀×♂) ①×② ②×① ①×③ ③×① ②×③ ③×②
交配率/% 0 8 16 2 46 18
精子傳送率/% 0 0 0 0 100 100
注：精子傳送率是指受精囊中有精子的雌蟲占確認交配雌蟲的百分比。
A．實驗結果表明近緣物種之間也可進行交配
B．生殖隔離與物種的分布區域是否重疊無關
C．隔離是物種形成的必要條件
D．②和③之間可進行基因交流
[解析]　由表格中的交配率的結果可知，近緣物種之間也可進行交配，A正確；已知①與②、①與③的分布區域有重疊，②與③的分布區域不重疊，但從交配率和精子傳送率來看，說明生殖隔離與物種的分布區域是否重疊無關，B正確；隔離包括地理隔離和生殖隔離，隔離是物種形成的必要條件，C正確；②和③之間的分布區域不重疊，故存在地理隔離；兩者屬于兩個近緣物種，表中②×③交配精子傳送率100%，即使交配成功，由于存在生殖隔離，也不能進行基因交流，D錯誤。
[答案]　D
[典例2]　如圖表示漸變式新物種形成的基本環節，對圖示的相關分析正確的是(　　)
A．圖中①表示基因突變和基因重組，為進化提供了原材料
B．圖中②表示地理隔離，地理隔離使種群間基因交流受阻
C．圖中③表示生殖隔離，指兩種生物不能交配且不能產生可育后代
D．種群基因型頻率的改變一定會導致新物種形成
[解析]　基因突變、基因重組和染色體變異為生物進化提供原材料，A錯誤；地理隔離使種群間不能發生基因交流，當地理隔離導致種群基因庫的差別較大時，就可能產生生殖隔離，進而形成新的物種，B正確；生殖隔離是指不同物種之間一般是不能相互交配的，即使交配成功，也不能產生可育的后代，C錯誤；種群基因頻率的改變是生物進化的實質，但不一定會導致新物種形成，D錯誤。
[答案]　B
易錯提醒—————————————————————————————————
與物種形成有關的兩個“不一定”
(1)物種的形成不一定都需要經過地理隔離，如多倍體的產生。
(2)生物進化不一定導致新物種的形成。生物進化的實質是種群基因頻率的改變，這種變化可大可小，不一定會突破物種的界限，即生物進化不一定導致新物種的形成。但新物種一旦形成，則說明生物發生了進化。
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【應用·體驗】
1．下列關于物種和隔離的敘述，錯誤的是(　　)
A．物種是生物分類的基本單位
B．二倍體西瓜與四倍體西瓜屬于同一物種
C．不同的物種之間必然存在著生殖隔離
D．雖然馬和驢交配能產生騾，但其屬于不同物種
解析：答案：B　二倍體西瓜與四倍體西瓜之間存在著生殖隔離，屬于不同的物種。故選B。
2．如圖所示為種群與物種的關系圖解，關于它們的敘述，錯誤的是(　　)
A．從圖中可以看出，一個物種可以有很多種群，這些種群間只是因為地理隔離，阻礙了基因交流
B．若物種2是由物種1形成的，則物種1一定發生了基因頻率的改變
C．由物種1形成物種2的必要條件是地理隔離
D．若種群1與種群2的基因頻率都發生了改變，則這兩個種群都在進化
解析：答案：C　從圖中可以看出，一個物種可以有很多種群，同一物種的不同種群間不存在生殖隔離，只是因為地理隔離阻礙了基因交流，A正確；生物進化的實質是種群基因頻率的改變，若物種2是由物種1形成的，則物種1一定發生了基因頻率的改變，B正確；生殖隔離是新物種形成的必要條件，新物種的形成通常要經過長期的地理隔離而達到生殖隔離，但并不是所有新物種的形成都需要經過地理隔離，C錯誤；判斷種群是否進化的標準是看基因頻率是否發生改變，D正確。
科學探究——探究抗生素對細菌的選擇作用
1．實驗原理
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．方法步驟
【素養評價】
1．某文章稱隨著全球范圍內抗生素的廣泛和大量應用，抗藥細菌不斷出現，它可以通過多種途徑對抗生素產生抗藥性，抗生素在不久的將來有可能成為一堆廢物。請分析抗生素對細菌抗藥性的產生所起的作用(　　)
A．抗生素的不斷使用，使細菌逐漸適應而產生抗藥性
B．細菌的變異是不定向的，抗生素對細菌進行了定向選擇
C．細菌的變異是定向的，抗生素對細菌進行了定向選擇
D．抗生素使細菌產生了定向變異
解析：答案：B　細菌抗藥性在使用抗生素之前就已存在，而不是由于抗生素的不斷使用，A錯誤；細菌的變異是不定向的，抗生素對細菌進行了定向選擇，使具有抗藥性的細菌留存下來，B正確，C錯誤；變異是不定向的，且細菌變異不是由于抗生素的使用，D錯誤。
2．抗青霉素葡萄球菌是一種突變型菌種。將未接觸過青霉素的葡萄球菌接種到含青霉素的培養基上，結果有極少數存活下來。存活下來的葡萄球菌在相同培養基中經多代培養后，對青霉素的抗性明顯增強。原因是(　　)
A．青霉素使用量的增加提高了葡萄球菌對青霉素的抗性
B．青霉素的選擇作用提高了葡萄球菌抗青霉素基因的頻率
C．葡萄球菌對青霉素抗性的增強是定向突變的結果
D．葡萄球菌的抗青霉素基因是在使用青霉素后產生的
解析：答案：B　青霉素對葡萄球菌只起到選擇作用；青霉素的選擇作用提高了葡萄球菌抗青霉素基因的頻率，淘汰掉了不抗青霉素的個體；突變是不定向的；葡萄球菌的抗青霉素基因是在使用青霉素前通過基因突變產生的。故選B。
3．探究細菌對各種抗生素藥敏程度的實驗方法如圖：將含有一定濃度不同抗生素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。回答下列問題：
(1)衡量本實驗結果的指標是________________。
(2)上圖中最有效的是__________培養皿中的抗生素。
(3)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，如圖所示。據此分析：
①向培養基中加抗生素的時刻為________點。
②細菌種群的進化是定向的，而變異是__________，細菌的抗藥性產生在環境變化之________(填“前”“中”或“后”)。
③抗生素對細菌變異的作用不是“誘導”而是______。
④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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)根據題意分析可知，衡量本實驗結果的指標是抑菌的大小。(2)通過抑菌圈的大小來確定殺菌能力，即抑菌圈越大殺菌力越強，圖B抑菌圈最大。(3)①抗生素會使細菌中不具有抗藥性的個體大量死亡而數量下降，所以是在b點使用抗生素。②變異是不定向的，而在自然選擇下進化是定向的；由圖可知，使用該抗生素后，細菌數量并未降到零，因此細菌的抗藥性在環境變化之前就已經產生了。③自然選擇對個體的表型進行選擇，而不是誘導相應性狀的出現。④在細菌種群中，含有抗藥性基因的個體畢竟只占少數，所以抗生素仍然能治療由細菌引起的感染。
答案：(1)抑菌圈的大小　(2)B
(3)①b　②不定向的　前　③選擇
④有抗藥性基因的個體占極少數
[課時跟蹤檢測]
[理解·鞏固·落實]
1．判斷下列敘述的正誤，對的打“√”，錯的打“×”。
(1)自然選擇決定了生物變異和進化的方向。(×)
(2)生物進化的原材料來源于基因突變和基因重組。(×)
(3)自然選擇過程中，直接受選擇的是表型。(√)
(4)兩個魚塘中的鯽魚屬于同一物種，也是一個種群。(×)
(5)種群基因庫間的差異是產生生殖隔離的根本原因。(√)
2．由歐洲傳入北美的耬斗菜已進化出數十個物種。分布于低海拔潮濕地區的甲物種和高海拔干燥地區的乙物種的花結構和開花期均有顯著差異。下列敘述錯誤的是(　　)
A．甲、乙兩種耬斗菜的全部基因構成了一個基因庫
B．生長環境的不同有利于耬斗菜進化出不同的物種
C．甲、乙兩種耬斗菜花結構的顯著差異是自然選擇的結果
D．若將甲、乙兩種耬斗菜種植在一起，也不易發生基因交流
解析：答案：A　一個種群中全部個體所含有的全部基因構成一個基因庫，甲、乙兩種耬斗菜是兩個物種，A錯誤；不同生長環境有利于進行不同的自然選擇，從而進化出不同的物種，B正確；自然選擇導致物種朝不同的方向進化，甲、乙兩種耬斗菜花結構的顯著差異是自然選擇的結果，C正確；不同物種之間存在生殖隔離，不能發生基因交流，D正確。
3．下列關于物種的敘述，錯誤的是(　　)
A．同一物種的個體可以組成一個或多個種群
B．新物種形成意味著生物能以新的方式利用環境條件
C．突變、基因重組和生殖隔離是新物種形成的三個基本環節
D．新物種的形成不一定經過地理隔離
解析：答案：C　同一物種的個體由于地理隔離可以組成一個或多個種群，A正確；形成新物種表示生物的性狀和適應環境的能力有所改變，即會以新的方式來利用環境條件，B正確；新物種形成的三個基本環節是突變和基因重組、自然選擇、生殖隔離，C錯誤；多數物種的形成需要經過地理隔離，但少數物種，如多倍體的形成可以不經過地理隔離，D正確。
4．根據現代生物進化理論，下列說法正確的是(　　)
A．自然選擇直接作用的對象是個體的表型
B．種群是生物進化的基本單位，個體是繁殖的基本單位
C．物種是生物進化的基本單位
D．生物的變異不利于生物的進化
解析：答案：A　自然選擇直接作用的對象是個體的表型，進而導致基因頻率的改變，A正確；種群是生物進化的基本單位，也是繁殖的基本單位，B錯誤；種群是生物進化的基本單位，C錯誤；突變和基因重組為生物進化提供原材料，D錯誤。
5．隔離是物種形成的必要條件。下列關于隔離的敘述，不合理的是(　　)
①兩個種群間不能進行基因交流，說明有生殖隔離
②新物種的形成必須經過生殖隔離　③形成新物種的過程中，基因頻率不一定發生變化　④環境能使生物發生進化，而生物不會使環境發生進化　⑤三倍體西瓜是一個新物種
A．①②③④　　　　　 B．②③④⑤
C．①③④⑤ D．①②③⑤
解析：答案：C　地理隔離也會使兩個種群不能進行基因交流，①不合理；新物種形成的標志是出現生殖隔離，②合理；新物種形成，說明生物發生了進化，基因頻率一定發生改變，③不合理；光合生物的出現使環境中增加了氧氣，環境也發生了進化，④不合理；三倍體西瓜由于減數分裂時聯會紊亂，所以不能產生后代，不是一個新物種，⑤不合理。
6．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基因的頻率和F1中Aa基因型的頻率分別是(　　)
A．30%,21% B．30%,42%
C．70%,21% D．70%,42%
解析：答案：D　基因型為AA的有條紋個體占55%，無條紋(aa)個體占15%，則基因型為Aa的有條紋個體占30%，并且在自由交配的過程中種群基因頻率不變，因此A基因的頻率＝55%＋1/2×30%＝70%，a基因的頻率＝1－70%＝30%，F1中Aa基因型的頻率＝2×70%×30%＝42%。
7．如圖表示某種小鼠的進化過程，X、Y、Z表示新物種形成的基本環節。下列說法正確的是(　　)
A．小鼠性狀的改變，一定會引起該種群的進化
B．X表示基因突變和染色體變異，為生物進化提供原材料
C．Y使該種群基因頻率發生定向改變，決定生物進化的方向
D．Z表示生殖隔離，但新物種的形成可以不通過Z環節
解析：答案：C　小鼠性狀的改變不一定導致基因頻率的變化，故不一定會引起該種群的進化，A錯誤；X表示可遺傳的變異，可遺傳的變異除了基因突變和染色體變異外，還有基因重組，B錯誤；Y表示自然選擇，在生物進化過程中，自然選擇使種群的基因頻率發生定向改變，決定生物進化的方向，C正確；Z表示生殖隔離，新物種的形成必須經過生殖隔離，D錯誤。
8．樺尺蛾的體色受一對等位基因控制，其中黑色(S)對淺色(s)為顯性。將某樺尺蛾種群分成兩組，分別遷移到甲、乙兩個區域，甲地是煤炭工業重鎮，乙地是閉塞的山區，數年后抽樣調查，結果如表所示。下列有關說法錯誤的是(　　)
區域 SS/% Ss/% ss/%
甲 80 18 2
乙 2 8 90
A．甲地S基因的頻率為89%，乙地S基因的頻率為6%
B．甲地的大部分s基因突變為S基因，故S基因的頻率升高
C．從上述材料得知生物進化的方向是由自然選擇決定的
D．據生物進化理論可知生物進化的實質是種群基因頻率的變化
解析：答案：B　由表中的數據可知，甲地的樺尺蛾種群內S基因的頻率＝80%＋1/2×18%＝89%，s基因的頻率＝1－89%＝11%；而乙地的樺尺蛾種群內S基因的頻率＝(2×2＋8)/(100×2)×100%＝6%，s基因的頻率＝1－6%＝94%。可見甲地控制黑色的S基因的頻率較高，而乙地控制淺色的s基因的頻率較高，這與兩地的生活環境有關。生物進化的實質是自然選擇使生物的基因頻率發生改變。故選B。
9．棘魚起源于海洋，自末次冰期以來逐漸移居淡水湖和溪流，淡水中因缺乏某些離子使得棘魚難以發育其多骨側板(盔甲)。通過長時間的演化，棘魚盔甲逐漸消失，同時個體尺寸也變得更大。科學家研究發現，棘魚盔甲消失的原因之一是棘魚體內抑制其外殼“盔甲”生長的基因表達增強。根據上述資料，下列敘述錯誤的是(　　)
A．淡水環境使得棘魚產生抑制其外殼“盔甲”生長的基因
B．淡水環境決定了棘魚的進化方向
C．棘魚“盔甲”的相關基因頻率在長時間的演化過程中發生定向改變
D．棘魚放棄生長“盔甲”，不影響其在淡水中生存
解析：答案：A　根據題干信息分析可知，淡水環境淘汰了具有外殼盔甲的個體，沒有抑制棘魚產生外殼“盔甲”生長的基因，A錯誤；環境決定了生物進化的方向，所以淡水環境決定了棘魚的進化方向，B正確；由于環境的選擇作用，使種群的基因頻率發生了定向的改變，C正確；根據題干中“淡水中因缺乏某些離子使得棘魚難以發育其多骨側板(盔甲)”和“通過長時間的演化，棘魚盔甲逐漸消失”，可以推測棘魚放棄生長“盔甲”，不影響其在淡水中生存，D正確。
10．不同基因型的褐鼠對滅鼠靈藥物的抗性及對維生素K的依賴性(即需要從外界環境中獲取維生素K才能維持正常的生命活動)的表型如表。若對維生素K含量不足環境中的褐鼠種群長期連續使用滅鼠靈進行處理，則褐鼠種群(　　)
基因型 rr Rr RR
對滅鼠靈的抗性 敏感 抗性 抗性
對維生素K的依賴性 無 中度 高度
A．基因r的頻率最終下降至0
B．抗性個體的基因型及比例為RR∶Rr＝1∶1
C．RR基因型個體數量增加，rr基因型個體數量減少
D．絕大多數抗性個體的基因型為Rr
解析：答案：D　由于環境中維生素K含量不足，所以對維生素K依賴度較高的RR基因型個體數量減少，長期使用滅鼠靈導致rr基因型個體數量大量減少，所以Rr基因型個體的數量最多，RR和rr兩種基因型頻率都不為0。故選D。
11．回答下列有關生物進化的問題：
(1)圖1表示某小島上蜥蜴進化的基本過程，X、Y、Z表示生物進化的基本環節。X、Y分別是________、____________________。
(2)該小島上的蜥蜴原種由許多個體組成，這些個體的總和稱為________，這是生物進化的__________。
(3)小島上能進行生殖的所有蜥蜴個體含有的全部基因，稱為蜥蜴的________。
(4)小島上蜥蜴原種的腳趾逐漸出現兩種性狀，W代表蜥蜴腳趾的分趾基因；w代表聯趾(趾間有蹼)基因。圖2表示這兩種性狀比例變化的過程。
①由于蜥蜴過度繁殖，導致____________加劇。
②小島上食物短缺，聯趾蜥蜴數量比例反而逐漸上升，其原因可能是______________
________________________________________________________________________。
③圖2所示的過程說明，自然環境的變化引起不同性狀蜥蜴的比例發生變化，其本質是蜥蜴群體內的________發生了改變。
解析：(1)由圖1可知，X表示突變(變異)，Y表示自然選擇。(2)小島上蜥蜴原種個體的總和構成種群，是生物進化的基本單位。(3)小島上生存的蜥蜴個體含有的全部基因稱為基因庫。(4)①蜥蜴過度繁殖導致生存斗爭(種內斗爭)加劇，使小島上食物短缺。②聯趾蜥蜴個體趾間有蹼，適于游泳，可以從水中獲取食物，因此，在島上食物短缺時，聯趾個體的生存和繁殖機會較多，數量比例逐漸增加。③圖2所示的過程說明，自然環境的變化引起不同性狀蜥蜴的比例發生變化，這種變化的本質是種群基因頻率的變化。
答案：(1)突變(變異)　自然選擇　(2)種群　基本單位　(3)基因庫　(4)①生存斗爭(種內斗爭)　②聯趾個體趾間有蹼，適于游泳，可以從水中獲取食物。因此，在島上食物短缺時，聯趾個體的生存和繁殖機會較多(合理即可)　③基因頻率
[遷移·應用·發展]
12．某雜志載文：科研人員從一種溶桿菌屬的細菌中提取一種新型抗生素(Ljrsocin E)，它能對抗常見抗生素無法對付的超級細菌——耐甲氧西林金黃色葡萄球菌。下列相關敘述正確的是(　　)
A．耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抗藥性變異來源于突變或基因重組
B．按現代生物進化理論解釋超級細菌形成的實質是自然選擇使耐藥性變異定向積累的結果
C．耐甲氧西林金黃色葡萄球菌這一超級細菌的形成意味著該種群一定發生了進化
D．施用新型抗生素(Ljrsocin E)會使耐甲氧西林金黃色葡萄球菌種群滅絕
解析：答案：C　耐甲氧西林金黃色葡萄球菌屬于原核生物，不進行減數分裂，其可遺傳變異不會來自基因重組，A錯誤；按現代生物進化理論解釋，超級細菌形成的實質是自然選擇使金黃色葡萄球菌的基因頻率發生定向變化，B錯誤；進化的實質是種群基因頻率的變化，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌這一超級細菌的形成伴隨著種群基因頻率的變化，意味著該種群一定發生了進化，C正確；耐甲氧西林金黃色葡萄球菌種群中存在著抗新型抗生素的個體差異，施用新型抗生素(Ljrsocin E)不會使耐甲氧西林金黃色葡萄球菌種群滅絕，D錯誤。
13．自然選擇有3種類型：①穩定選擇，把種群中極端變異個體淘汰，保留中間類型；②分裂選擇，把種群中極端變異個體按照不同方向保留，淘汰中間個體；③單向選擇，在群體中保存趨于某一極端變異個體，淘汰另一極端變異個體。3種自然選擇類型建模如圖Ⅰ～Ⅲ，相關說法錯誤的是(　　)
A．進化過程中生存環境最穩定的可能是Ⅰ
B．Ⅱ中的自然選擇是不定向的，可能形成兩個物種
C．三種自然選擇類型都會導致種群基因頻率發生改變
D．非洲鐮狀細胞貧血雜合個體對瘧疾的感染率比正常人低屬于單向選擇
解析：答案：B　Ⅰ屬于穩定選擇，因此進化過程中生存環境最穩定的可能是Ⅰ，A正確；根據圖Ⅱ可知：自然選擇是定向的，B錯誤；自然選擇可以使基因頻率發生定向改變，因此三種自然選擇類型都會導致種群基因頻率發生改變，C正確；根據題干“單向選擇，在群體中保存趨于某一極端變異個體，淘汰另一極端變異個體”可知：非洲鐮狀細胞貧血雜合個體對瘧疾的感染率比正常人低屬于單向選擇，D正確。
14．寄生在某種鳥的羽毛中的羽虱大量繁殖會造成羽毛失去光澤和尾羽殘缺不全，影響雄鳥的求偶繁殖。回答下列問題：
(1)若某種群中對羽虱具有抵抗力的個體AA和Aa分別占20%和40%，則a的基因頻率為________。
(2)請預測以后基因頻率的變化規律，將該變化在右面的坐標圖中以曲線的形式表示出來(標明基因，繪出大致趨勢)。
(3)研究者認為雄鳥能否吸引雌鳥到它的領地筑巢，與雄鳥尾羽長短有關，為了驗證這個觀點，選取若干只尾羽長度相似且生長狀況一致的雄鳥均分成A、B、C三組，做了相關實驗，結果如圖所示。
①本實驗的自變量是________________，本實驗應如何操作以實現對自變量的控制？ ________________________________________________________________________。
②實驗結論：_______________________________________________________________。
解析：(1)該種群中AA和Aa基因型的個體分別占20%和40%，則aa的基因型頻率為1－20%－40%＝40%，a的基因頻率為40%＋1/2×40%＝60%。(2)由于aa基因型的個體對羽虱沒有抵抗力，故aa基因型個體將減少，a的基因頻率將降低。繪圖時應注意起點和趨勢。(3)由圖可知，雄鳥A的尾羽最短，雄鳥C的尾羽最長，雄鳥B的尾羽長度在A、C之間，所以是將A組鳥的尾羽剪下粘在C組鳥的尾羽上，B組鳥作為對照。實驗結果是雌鳥筑巢數C＞B＞A，由此得出雄鳥的尾羽越長越易吸引雌鳥到它的領地筑巢。
答案：(1)60%
(2)如圖：
(3)①雄鳥尾羽的長度　將A組雄鳥的尾羽剪短，把剪下來的尾羽粘在C組雄鳥的尾羽上，B組雄鳥的尾羽不作任何處理　②尾羽長的雄鳥更能吸引雌鳥到它的領地筑巢

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