資源簡介

種群基因組成的變化與物種的形成
第一課時
第3節
人教版 必修2
1. 能夠闡述種群、種群基因庫、基因頻率等概念，說明種群是生物繁殖和進化的基本單位。
2. 能計算種群的基因頻率和基因型頻率，得出遺傳平衡定律的數學模型。
3. 能闡明自然選擇對種群基因頻率變化的影響。
甲同學說：當然是先有雞蛋了，因為只有生殖細胞產生的基因突變才能遺傳給后代，體細胞即使發生了基因突變，也不能影響后代的性狀。
乙同學說：不對，人們在養雞過程中，是根據雞的性狀來選擇的，只讓符合人類需求的雞繁殖后代，因此是先有雞后有蛋。
你同意哪位同學的觀點？你的答案和理由是什么？
這兩種觀點都有一定的道理，但都不全面。因為它們忽視了雞和蛋在基因組成上的一致性，也忽視了生物的進化是以種群為單位而不是以個體為單位這一重要觀點。生物進化的過程是種群基因庫在環境的選擇作用下定向改變的過程，以新種群與祖先種群形成生殖隔離為標志，并不是在某一時刻突然有一個個體或一個生殖細胞成為一個新物種。
問題探討
自然選擇直接作用的是生物的個體，而且是個體的表型。但是，在自然界，沒有哪個個體是長生不死的，個體的表型會隨著個體的死亡而消失，決定表型的基因卻可以隨著生殖而世代延續，并且在群體中擴散。
研究生物的進化，僅研究個體和表型是不夠的，還必須研究群體基因組成的變化。
生活在一定區域的同種生物的全部個體的集合叫做種群。
1. 種群
一個非洲象種群（部分個體）
一片樹林中的全部獼猴
一片草地上的所有蒲公英
一、種群和種群基因庫
同一區域（區域可大可小，大到地球，小的可以是一個池塘）
同一物種的生物
全部個體
種群的三個要素
判斷下列是否屬于種群：
（1）一個池塘中的全部魚
（2）一個池塘中的全部鯉魚
（3）兩個池塘內的全部青蛙
（4）一片草地上的全部植物
（5）一片草地上的成年梅花鹿
否
是
否
否
否
種群的個體并不是機械地結合在一起。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。
種群在繁衍過程中，個體有新老交替，基因卻代代相傳。
思考：同前一年的蝗蟲種群相比，新形成的蝗蟲種群在基因組成上會有什么變化嗎？
2. 種群是生物進化的基本單位
3. 種群基因庫
一個種群中全部個體所含有的全部基因叫這個種群的基因庫。
4. 基因頻率
在基因庫中，某基因占控制此性狀全部等位基因數的比率叫做基因頻率。
5. 基因型頻率
在一個種群中，某基因型個體占全部個體的比率。
例：某昆蟲種群中，綠色翅的基因為A, 褐色翅的基因位a，調查發現AA、Aa、aa的個體分別占30%、60%、10%、那么A、a的基因頻率是多少？
假設該種群數量為100，基因型AA的個體為30，Aa個體為60，aa個體為10，那么控制此性狀的等位基因總數200個。
A基因數=2×30﹢60=120個
a基因數=60﹢2×10=80個
A基因的頻率=
=
60%
????????????????????????×????????????%
?
a基因的頻率=
=
40%
????????????????????×????????????%
?
① 在種群中，一對等位基因的基因頻率之和等于1，基因型頻率之和也等于1。
② 一個基因的頻率=該基因純合子的基因型頻率+1/2雜合子的基因型頻率
假設上述昆蟲種群數量非常大，所有的雌雄個體間都能自由交配并能產生后代，沒有遷入和遷出，不同翅色的個體生存和繁殖的機會是均等的，基因A和a都不產突變，根據孟德爾的分離定律計算。
(1)該種群產生的A配子和a配子的比值各是多少？
(2)子代基因型的頻率各是多少？
(3)子代種群的基因頻率各是多少？
(4)將計算結果填入下表，想一想，子二代、子三代以及若干代以后，種群的基因頻率會 同子一代一樣嗎？
用數學方法討論基因頻率的變化
{16D9F66E-5EB9-4882-86FB-DCBF35E3C3E4}親代基因型比值
AA(30%)
Aa(60%)
aa(10%)
配子的比值
A( )
A( )
a( )
a( )
子代基因型頻率
AA( )
Aa( )
aa( )
子代基因頻率
A( )
a( )
思考·討論
{16D9F66E-5EB9-4882-86FB-DCBF35E3C3E4}
親代
子一代
子二代
子三代
基因型頻率
AA
30%
Aa
60%
aa
10%
基因頻率
A
60%
a
40%
36%
48%
16%
60%
40%
36%
16%
48%
60%
60%
40%
40%
36%
48%
16%
6. 遺傳平衡定律（哈代－溫伯格定律）
各代基因頻率相同嗎？基因型頻率相同嗎？這有什么前提條件嗎？
各代基因頻率相同。基因型頻率從子一代開始保持不變。需要滿足上述5個前提條件。
6. 遺傳平衡定律（哈代－溫伯格定律）
當群體滿足以下五個條件：
①種群群體數量足夠大； ②全部的雌雄個體間都能自由交配并能產生后代； ③沒有遷入與遷出； ④自然選擇對性狀沒有作用； ⑤基因A和a都不產生突變
設A的基因頻率為p，a的基因頻率為q；則有p+q=1，那么
種群的基因頻率將不會改變
(p+q)2 = p2 + 2pq + q2 ＝ 1
AA=p2 Aa=2pq aa=q2
2. 上述計算結果是建立在5個假設條件基礎上的。5個條件為：①昆蟲群體數量足夠大； ②全部的雌雄個體間都能自由交配并能產生后代； ③ 沒有遷入與遷出； ④ 自然選擇對性狀沒有作用 ⑤ 基因A和a都不產生突變。 對自然界的種群來說，這5個條件都成立嗎？
用數學方法討論基因頻率的改變
遺傳平衡所指的種群是理想種群，在自然條件下，這樣的種群是不存在的。這說明在自然界中，種群的基因頻率遲早要發生變化，也就是說種群的進化是必然的。
3. 如果該種群出現新的突變型（基因型為A2a或A2A2），也就是產生新的等位基因A2，種群的基因頻率會變化嗎？基因A2的頻率可能會怎樣變化？
突變產生的新基因會使種群的基因頻率發生變化。
基因A2的頻率是增加還是減少，要看這一突變對生物體是有益還是有害的，這往往取決于生物生存的環境。
基因突變在自然界是普遍存在的。基因突變產生新的等位基因，這就可以使種群的基因頻率發生變化。
可遺傳的變異
變異
不可遺傳的變異
基因突變
染色體變異
基因重組
突變
二、種群基因頻率的變化
由于種群是由許多個體組成，每個個體的細胞中都有成千上萬個基因，這樣，每一代就會產生大量的突變。
思考：生物自發突變的頻率很低，而且大多數突變對生物體是有害的，那么，它為何還能夠作為生物進化的原材料呢？
【例如】果蠅1組染色體上約有1.3×104個基因，假定每個基因的突變頻率都
為10-5，對一個約有108個個體的果蠅種群來說，每一代出現的基因突變數是：
1.3× 104 × 10－5
個體（1.3×10-1）
× 108
種群
=2 .6×107（個）
影響種群基因頻率變化的因素
① 突變
影響種群基因頻率變化的因素
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。
貓由于基因重組而產生的毛色變異
② 基因重組
影響種群基因頻率變化的因素
突變的有害和有利也不是絕對的，這往往取決于生物的生存環境。
【例如】有翅的昆蟲中有時會出現殘翅和無翅的突變類型，這類昆蟲在正常情況下很難生存下去。但是在經常刮大風的海島上，這類昆蟲卻因為不能飛行而避免了被海風吹到海里淹死。
某海島上殘翅和無翅的昆蟲
③ 生物的生存環境
英國的曼徹斯特地區有一種樺尺蛾（其幼蟲叫樺尺蠖）。它們夜間活動，白天休息在樹干上。雜交實驗表明，其體色受一對等位基因S和s控制，黑色(S)對淺色(s)是顯性的。
在19世紀中葉以前，樺尺蛾幾乎都是淺色型的，該種群中S基因的頻率很低，在5%以下。到了20世紀中葉，黑色型的樺尺蛾卻成了常見的類型，S基因的頻率上升到95%以上。
三、自然選擇對種群基因頻率變化的影響
假設1870年，樺尺蛾種群的基因型頻率為SS10%,Ss 20%,ss 70%,S基因的頻率為20%。在樹干變黑這一環境條件下，假如樹干變黑不利于淺色樺尺蛾的生存，使得種群中淺色個體每年減少10%,黑色個體每年增加10%。第2~10年間，該種群每年的基因型頻率各是多少？每年的基因頻率是多少？（計算結果填入下表）
探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響
{16D9F66E-5EB9-4882-86FB-DCBF35E3C3E4}
第1年
第2年
第3年
第4年
……
基因型頻率
SS
10%
11.5%
Ss
20%
22.9%
ss
70%
65.6%
基因
頻率
S
20%
23%
s
80%
77%
70.7%
26%
29.2%
14.7%
56.1%
60.9%
26.1%
73.9%
29.3%
13.1%
升高
降低
思考·討論
根據上述計算結果，對環境的選擇作用的大小進行適當調整，比如，把淺色個體每年減少的數量百分比定高些，重新計算種群基因型頻率和基因頻率的變化，與步驟2中所得的數據進行比較。
討論： 1. 樹干變黑會影響樺尺蛾種群中淺色個體的出生率嗎？為什么？
2. 在自然選擇過程中，直接受選擇的是基因型還是表型？為什么？
探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響
在自然選擇過程中，直接受選擇的是生物的表現型；
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。
變異是不定向的
自然選擇是定向的
不利變異被淘汰,有利變異逐漸積累
種群的基因頻率發生定向的改變
生物朝著一定方向緩慢進化
生物進化的實質是種群基因頻率的定向改變。
1. 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）。
3. 生物進化的實質是基因頻率的定向改變。
2. 自然選擇導致基因頻率發生改變。
探究抗生素對細菌的選擇作用
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。
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。
實驗步驟
①培養皿分區、標號。
③將不含抗生素的紙片和抗生素紙片分別放在平板的不同位置。
②涂布平板。
①
②
③
④
探究抗生素對細菌的選擇作用
④將培養皿倒置于37 ℃的恒溫箱中培養12~16 h。
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。重復步驟②~⑤。
⑤觀察細菌的生長狀況。是否有抑菌圈？測量、記錄。
結果分析
①你的數據結果是否支持“耐藥菌是普遍存在的”這一說法？
支持。抑菌圈邊緣生長的可能是耐藥菌。
探究抗生素對細菌的選擇作用
②在本實驗條件下，耐藥菌所產生的變異是有利的還是有害的？
在本實驗條件下，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。
③濫用抗生素有什么后果？
促進耐藥菌的產生。
生物多樣性
自然選擇
基因突變
染色體變異
基因重組
突變
種群基因頻率定向改變
生物進化
生物進化的實質是種群基因頻率在自然選擇作用下的定向改變。
種群基因頻率的改變，標志著生物的進化

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