資源簡介

第3節　種群基因組成的變化與物種的形成
【學習目標】
1.闡述種群、種群基因庫、基因頻率等概念的內涵,會用數學方法討論自然選擇使種群基因頻率發生改變的過程。(科學思維、科學探究)
2.闡明自然選擇對種群基因頻率變化的影響。(生命觀念、科學思維)
3.通過探究抗生素對細菌的選擇作用,理解耐藥菌的出現是可遺傳變異的結果,耐藥菌比例的增大是抗生素選擇的結果。(科學思維、社會責任)
4.明確隔離在物種形成中的作用。(生命觀念、科學思維)
第1課時　種群基因組成的變化及探究抗生素對細菌的選擇作用
【自主預習】
一、種群和種群基因庫
1.種群:生活在一定區域的　同種　生物　全部個體　的集合。
2.種群基因庫: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。
4.基因型頻率:某特定基因型的個體在全部個體中所占的比值。
二、種群基因頻率的變化及自然選擇對種群基因頻率
變化的影響
1.種群基因頻率的變化
(1)可遺傳變異來源于突變(包括　基因突變　和　染色體變異　)和　基因重組　。
(2)可遺傳變異的形成、特點和作用
形成:a.　基因突變　產生新的等位基因;b.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　。
特點:隨機的、　不定向的　。
作用:提供生物進化的　原材料　,不能決定生物進化的　方向　。
(3)變異的有利和有害是相對的,是由　生存環境　決定的。
2.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)結果: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。
三、探究抗生素對細菌的選擇作用
1.實驗目的: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。
2.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。
3.實驗步驟
分組、編 號、做標記 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
接種 對照組: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　
自變量 控制 實驗組:用無菌的鑷子先夾取1張　不含抗生素　的紙片放在?、偬枀^域　的中央,再分別夾取1張抗生素紙片放在?、趡④號區域　的中央,蓋上皿蓋
培養 將培養皿倒置于37 ℃的恒溫箱中培養12~16 h
因變量 觀測 觀察培養基上紙片附近是否出現　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
重復實驗 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。如此重復幾代,記錄每一代培養物抑菌圈的直徑
【合作探究】
任務1　探究種群基因組成的變化
活動1　閱讀課本P110~111,用數學方法理解種群基因頻率的變化,結合材料回答問題
　　某樺尺蛾種群中,黑色體色的基因為S,淺色體色的基因為s,抽樣調查100個個體,測得基因型為SS、Ss、ss的個體數分別為10、20、70個。假設該樺尺蛾種群數量非常大,所有的雌雄個體間都能自由交配并產生后代,沒有遷入和遷出,不同體色的個體生存和繁殖的機會是均等的,S和s基因都不產生突變。
1.哪些因素會導致種群的基因庫發生改變
提示　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。
2.該種群中S、s基因的頻率各是多少 子一代基因型頻率是多少
提示　S基因的頻率=×100%=20%,s基因的頻率=×100%=80%。子一代基因型頻率:SS占20%×20%=4%,Ss占2×20%×80%=32%,ss占80%×80%=64%。
3.子一代種群的基因頻率各是多少
提示　子一代種群中,S基因的頻率為4%+(1/2)×32%=20%,s基因的頻率為1-20%=80%。
4.子二代、子三代以及若干代以后,種群的基因頻率會與子一代一樣嗎 請完成下表:
親代基因型的比值 SS(10%) Ss(20%) ss(70%)
配子的比值 S(10%) S(10%) s(10%) s(70%)
子一代基因型頻率 SS(4%) Ss(32%) ss(64%)
子一代基因頻率 S(20%) s(80%)
子二代基因型頻率 SS(　　) Ss(　　) ss(　　)
子二代基因頻率 S(　　) s(　　)
提示　4%　32%　64%　20%　80%　子二代、子三代以及若干代以后,種群的基因頻率與子一代一樣。
認知生成
比較項目 含義 變化后與進化的關系
基因型頻率 ×100% 生物不一定進化
基因頻率 ×100% 生物進化
(續表)
比較項目 含義 變化后與進化的關系
基因庫 一個種群中全部個體所含有的全部基因 可導致生物進化,它的變化是形成新物種的前提
例1　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、乙兩個區域中,甲地是煤炭工業重鎮,乙地是閉塞的山區,數年后抽樣調查,結果如下表所示。下列有關說法不正確的是(　　)。
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.從上述材料得知生物進化的實質是種群基因頻率的變化
　　【答案】　B
【解析】　由題表數據可知,甲地種群內S基因的頻率=(80×2+18)/(80×2+18×2+2×2)×100%=89%,s基因的頻率=1-89%=11%;而乙地種群內S基因的頻率=(2×2+8)/(2×2+8×2+90×2)×100%=6%,s基因的頻率=1-6%=94%,A正確。甲地種群內控制黑色的S基因的頻率較高,而乙地種群內控制淺色的s基因的頻率較高,這些不同與這兩個種群的生活環境有關,甲地種群生活在污染嚴重的環境中,而乙地種群生活在基本未受污染的環境中,B不正確,C、D正確。
對點練1　(不定項)下列關于種群基因頻率的敘述,錯誤的是(　　)。
A.基因頻率是指某個基因型在某個種群中出現的比例
B.基因頻率越大,突變率越高
C.基因突變、基因重組和自然選擇會導致基因頻率的改變
D.自然選擇會使原來同一種群的基因頻率向著不同的方向發展
　　【答案】　AB
【解析】　在一個種群基因庫中,某個基因占全部等位基因數的比值,叫作基因頻率,A錯誤;基因頻率越大,突變的個體數越多,而突變率一般是不變的,B錯誤;由于存在基因突變、基因重組和自然選擇等因素,種群的基因頻率總是在不斷變化的,C正確;基因頻率的定向改變是由自然選擇決定的,D正確。
活動2　閱讀課本P112~114,理解自然選擇對種群基因頻率變化的影響
1.上圖中樺尺蛾發生了什么變化 發生這種變化的原因是什么
提示　在樹干變黑的環境下,淺色樺尺蛾易被天敵發現和捕食,基因型為ss的個體越來越少,基因型為SS和Ss的個體越來越多,決定黑色性狀的S基因頻率越來越高,決定淺色性狀的s基因頻率越來越低。發生這種變化的原因是環境發生了改變。
2.對樺尺蛾種群來說,在自然選擇過程中直接受選擇的是　　　　　　,因為天敵看到的是性狀,而不是控制性狀的基因。
提示　表型
3.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。
4.樺尺蛾種群中發生的可遺傳變異有　　　　　(包括基因突變和染色體變異)和　　　　　。
提示　突變　基因重組
5.突變具有低頻性,它還能為生物進化提供原材料嗎 為什么
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,而每個個體的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。
6.有人認為“發生在體細胞中的基因突變不能傳遞給后代,因此不能為生物進化提供原材料”,這種說法　　　　(填“正確”或“不正確”),因為　 　。
提示　不正確　發生在體細胞中的突變,可以通過無性繁殖的方式傳遞給后代,能為生物進化提供原材料
7.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。
例2　19世紀英國工業革命之前曼徹斯特地區的樺尺蛾以灰色為主。工業革命污染后,當地樺尺蛾體色幾乎全為黑色。下列有關敘述正確的是(　　)。
A.工業革命污染導致樺尺蛾種群出現黑色變異
B.樺尺蛾種群的全部基因型構成了該種群的基因庫
C.不同體色樺尺蛾的同時存在體現了物種的多樣性
D.自然選擇是適應性進化的唯一因素,自然選擇的方向有可能發生改變
　　【答案】　D
【解析】　變異是不定向的,黑色變異本來就存在,環境起了選擇的作用,使得黑色個體數量增多,A錯誤;樺尺蛾種群的全部個體所含有的全部基因構成了該種群的基因庫,B錯誤;灰色樺尺蛾與黑色樺尺蛾為同一物種,不能體現物種的多樣性,C錯誤;生物進化的實質是種群基因頻率的改變,自然選擇通過定向改變種群的基因頻率使生物朝著一定的方向進化,自然選擇不是進化的唯一因素,但卻是適應性進化的唯一因素,若環境發生了改變,則自然選擇的方向有可能發生改變,D正確。
對點練2　(2023·臺州統考)某種昆蟲的翅長由多對等位基因控制,該種昆蟲的一個種群從大陸遷移到某海島上,經調查其翅長和個體數的關系如圖甲所示,若干年后翅長與個體數的關系如圖乙所示。據圖分析,下列敘述正確的是(　　)。
A.該海島環境最初適合中等翅長昆蟲生存
B.控制該種昆蟲翅長的全部等位基因組成一個基因庫
C.突變和基因重組使昆蟲種群產生定向變異
D.自然選擇導致該昆蟲種群基因頻率發生定向改變
　　【答案】　D
【解析】　分析圖甲,該昆蟲由大陸遷移到海島上時,中等翅長的個體最多,說明大陸環境適合中等翅長昆蟲生存,而不能說明海島環境最初適合中等翅長昆蟲生存,A錯誤;一個種群中全部個體所含有的全部基因,構成這個種群的基因庫,B錯誤;突變和基因重組可以使種群產生變異,但變異是不定向的,C錯誤;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,D正確。
任務2　探究抗生素對細菌的選擇作用
活動3　閱讀課本P115,探究抗生素對細菌的選擇作用
1.為什么要從抑菌圈邊緣的菌落上挑取細菌 抗生素紙片周圍的抑菌圈的直徑為什么會逐代變小
提示　一定濃度的抗生素能夠殺死細菌,在抑菌圈邊緣的抗生素濃度較低,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。因為經過抗生素的持續多代篩選,細菌的耐藥性越來越強,抗生素抑制細菌生長的作用越來越弱,抑菌圈的直徑越來越小。
2.在本實驗的培養條件下,耐藥菌所產生的變異是有利的還是有害的 你怎么理解變異是有利的還是有害的
提示　有利的,基因突變具有隨機性和不定向性,突變的有利或有害取決于生物所處的環境條件,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。
3.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,導致抗生素失效。另外,濫用抗生素,會大量殺死體內正常細菌,造成體內菌群失調。
例3　(2023·廣西聯考)國家多次下達“抗生素使用限令”,其原因是抗生素的使用是一把雙刃劍,在殺死部分細菌的同時也會使細菌產生耐藥性,致使現在細菌的耐藥性越來越強,有效的藥物越來越少,如再不采取行動,終將面臨“無藥可用”的窘境。下列敘述不正確的是(　　)。
A.濫用抗生素導致細菌耐藥性增強是自然選擇的結果
B.細菌一般只能發生基因突變,偶爾也可能發生基因重組
C.濫用抗生素是對細菌的有利基因進行選擇,且決定了新基因的產生
D.濫用抗生素可使細菌耐藥基因頻率提高,使細菌朝耐藥性逐漸增強的方向進化
　　【答案】　C
【解析】　濫用抗生素導致細菌耐藥性增強是抗生素發揮選擇作用的結果,A正確;細菌屬于原核生物,其變異方式一般只有基因突變,其不含染色體,所以沒有染色體變異,偶爾可以發生基因重組,如肺炎鏈球菌R型菌向S型菌的轉化,B正確;抗生素對細菌變異進行選擇,但不決定新基因的產生,C不正確;抗生素對細菌變異的選擇導致細菌耐藥基因頻率提高,最終細菌朝耐藥性增強的方向進化,D正確。
對點練3　(2023·湖南聯考)聯合國環境規劃署發布的一份報告指出,氣候變化及其他環境因素可能使細菌增強對抗生素的抵抗能力,產生更多的“超級細菌”。如果不采取措施遏制微生物耐藥性增強趨勢,預計到2050年,每年與微生物耐藥性相關聯的死亡人數將上升至1000萬人。下列說法正確的是(　　)。
A.耐藥性是濫用抗生素誘發基因突變所致
B.即使使用新品種抗生素,也無法影響“超級細菌”的進化
C.細菌耐藥性的增強僅與濫用抗生素有關
D.耐藥性基因頻率的改變會導致生物朝著一定的方向進化
　　【答案】　D
【解析】　基因突變具有不定向性,抗生素只是起到選擇作用,A錯誤;使用新品種抗生素可能會殺死部分“超級細菌”,進而影響“超級細菌”的進化,B錯誤;氣候變化及其他環境因素可能增強細菌的耐藥性,C錯誤;種群的基因頻率改變,會導致生物進化,D正確。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
判斷正誤。 (1)一個種群中某基因占所有基因數的比值叫作基因頻率。 (×) (2)在環境條件保持穩定的前提條件下,種群的基因頻率不會發生變化。 (×) (3)從根本上講,沒有突變,就沒有生物的進化。 (√) (4)突變具有低頻性,不能為生物進化提供原材料。 (×)
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