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第六章 生物的進化
第3節 種群基因組成的變化與物種的形成
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新人教版 必修二 遺傳和進化
1. 舉出人為因素導致種群基因頻率定向改變的實例。
選擇育種和雜交育種。
2. 如果將一個瀕臨滅絕的生物種群釋放到一個新的環境中，那里有充足的食物，沒有天敵，這個種群將發生怎樣的變化？請根據所學知識作出預測。
如果氣候等其他條件也合適，并且這個種群具有一定的繁殖能力，該種群的個體總數會迅速增加。否則，也可能仍然處于瀕危狀態甚至滅絕。
探究抗生素對細菌的選擇作用
自然選擇決定生物進化的方向。
實驗背景：
在自然選擇的作用下，具有有利變異的個體更易生存和繁殖，具有不利變異的個體很難產生后代，相應的基因頻率會不斷下降。
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。
使用抗生素前
使用抗生素
使用抗生素后
本實驗通過探究抗生素對細菌的選擇作用，幫助學生理解抗生素對細菌的逐代篩選，促進細菌耐藥性的進化。
理解濫用抗生素會導致耐藥菌增加，了解“超級細菌”產生的原因和后果，從而形成合理使用抗生素的意識。
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。
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。
目的要求：
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗原理：
1.經__________ _的___________________________及_________________________________
高溫滅菌
2.細菌菌株，如_______________、______________________等
3.含有_______（如__________、_________等）的____形__________
以下簡稱___________________
4._____________的紙片
5.涂布器
牛肉膏蛋白胨液體培養基
牛肉膏蛋白胨固體培養基平板
大腸桿菌
金黃色葡萄球菌
抗生素
青霉素
卡那霉素
圓
濾紙片
抗生素紙片
不含抗生素
作用：____________
作對照
作用：______________________________________________
將細菌培養液均勻地涂抹在培養基平板上
牛肉膏蛋白胨液體培養基的作用：___________
牛肉膏蛋白胨固體培養基的作用：_____________________
活化菌株
篩選耐藥菌時，供細菌生長
6.記號筆
作用：_________________________________
在培養皿底部劃線，將培養基分區
**以上使用的培養基、抗生素、濾紙片、涂布器等實驗用具均需經過滅菌
探究抗生素對細菌的選擇作用
材料用具：
①
②
③
④
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
1、用記號筆在培養皿的底部畫_______________線，將培養皿分為4個區域，分別標記為①～④
2條相互垂直
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
梯度稀釋和涂布
取1mL菌液加入到___mL無菌水中，用移液槍混勻菌液，這樣就得到了稀釋10倍的菌液；
再從稀釋10倍的菌液中取1mL加入到____mL無菌水中，用移液槍混勻菌液，這樣就得到了稀釋100倍的菌液。
**根據實際情況選取適當稀釋倍數的菌液涂布平板
9
9
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
2、取少量（經過稀釋的）細菌培養液，用________________ (或無菌棉簽)均勻地涂抹在_______________________培養基平板上。
無菌的涂布器
牛肉膏蛋白胨固體
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
3、用無菌的鑷子在①號區域的中央放置不含抗生素紙片和②③④號區域的中央分別放置含有抗生素的紙片
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
4、將培養皿倒置于37℃的恒溫箱中培養12~16h
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
5. 觀察培養基上細菌的生長狀況紙片附近是否出現了________
如果有，測量和記錄每個實驗組中抑菌圈的________，并取___________
抑菌圈
直徑
平均值
**衡量本實驗結果的指標是__________________________
抑菌圈直徑的大小
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗步驟：
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，并重復以上步驟2-5。記錄每一代培養物抑菌圈的直徑。
（1）在超凈工作臺實施操作時，應先對雙手和操作臺進行消毒（使用一定濃度的酒精）
（2）盛有培養基的培養皿以及培養基、抗生素、濾紙片、涂布器等實驗用具均需經過滅
菌（高溫滅菌鍋高溫滅菌）
（3） 接種時必須在無菌條件下進行操作，以確保不被污染（例如接種環和涂布器要用酒
精燈高溫滅菌）
（4）** 實驗結束后，應將耐藥菌、培養基、紙片等進行高溫滅菌處理
探究抗生素對細菌的選擇作用
注意事項：
實驗過程：
抑菌圈直徑/cm 第一代 第二代 第三代
1 2.26 1.89 1.62
2 2.41 1.91 1.67
3 2.42 1.87 1.69
平均值 2.36 1.89 1.66
組別
探究抗生素對細菌的選擇作用
實驗結果與結論：
第一代 第二代 第三代
1、在培養基上是否有細菌生長？
2、在放有抗生素紙片的區域呢？
有
在放有抗生素紙片的周圍區域沒有細菌生長，形成了抑菌圈
3、在連續培養幾代后，抑菌圈的直徑發生了什么變化？這說明抗生素對細菌產生了什么作用？
抑菌圈的直徑隨著培養代數的增加而逐漸縮小;說明在抗生素對細菌的選擇作用下，細菌的抗藥性逐漸增強。
1、為什么要從抑菌圈邊緣的菌落上挑取細菌？
因為抑菌圈邊緣生長的細菌可能是耐藥菌。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。
2、你的數據是否支持“耐藥菌是普遍存在的”這一說法？說說你的理由。
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
討論：
3、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？
探究抗生素對細菌的選擇作用
討論：
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，有利于生物在特定環境中生存和繁殖的變異，對細菌來講是有利變異。
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。
探究抗生素對細菌的選擇作用
討論：
4、你認為你的數據和結論是有效的嗎？
將你的數據和結論與其他同學的進行比較，根據實際情況回答。
5、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？請你查閱資料，舉出更多濫用抗生素的實例。
這些做法都會促進耐藥菌的產生。
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。
抗生素對細菌有選擇作用，抗生素對細菌抑制作用越來越弱。
若不需要定量檢測細菌的耐藥性大小，只需要篩選出耐藥的細菌，實驗思路是什么樣的？
將稀釋一定倍數的菌液，直接涂布到含一定濃度抗生素的培養基上，將長出的細菌挑出，即耐藥菌。
探究抗生素對細菌的選擇作用
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
習題鞏固
C
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____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
B
B抑菌圈最大
不具抗藥性
有抗藥性基因的個體占極少數
抗生素對細菌的抗藥性變異進行了定向選擇（抗藥性變異在抗生素的長期選擇下逐漸積累的結果）
探究抗生素對細菌的選擇作用
3. 碳青霉烯類抗生素是治療重度感染的一類藥物。右表為2005—2008年，該類抗生素在某醫院住院患者中的人均使用量，以及從患者體內分離得到的某種細菌對該類抗生素的耐藥率變化。據表回答下列問題。
（1）這種細菌耐藥率的變化與抗生素的使用量之間是否存在關聯？依據是
什么？
二者存在正相關的關系。依據是調查數據。
（2 ）試從進化的角度解釋耐藥率升高的原因。
隨著抗生素人均使用量的增加，不耐藥的細菌生存和繁殖的機會減少，耐藥菌生存和繁殖的機會增加，耐藥性基因在細菌種群中的基因頻率逐年上升。
（3）我國衛生部門建立了全國抗菌藥物臨床 應用監測網和細菌耐藥監測網，并要求醫療機構開展細菌耐藥監測工作，建立細菌耐藥預警機制。例如，當某抗菌藥物的主要目標細菌耐藥率超過30%時，醫療機構應及時將這一預警信息進行通報。請分析這一要求的合理性。
由于細菌繁殖很快，耐藥率的上升速度也較快，因此需要加強監控。我國衛生部門建立了相關監測機制，說明黨和政府關注民生。醫療機構及時通報預警信息，有利于全國各醫院機構共同及時采取措施，如更換新的抗生素類藥物，將細菌耐藥率控制在低水平。
（4） 人類不斷研發和使用新的抗生素，細菌對新藥的耐藥性也在不斷提高，二者之間仿佛發生了一場競賽。作為這場競賽的參與者，你可以做些什么呢？
合理使用抗生素，防止濫用抗生素。
自然選擇使種群的基因頻率發生定向改變，只要是基因頻率發生變化，生物就一定發生了進化，但是進化一定形成新物種嗎？
例如曼徹斯特地區的樺尺蛾，雖然基因頻率發生了變化，但是黑色樺尺蠖和白色樺尺蠖仍然是同一物種
也就是同種生物的不同種群，由于突變和選擇的因素不同，其基因組成可能會朝著不同的方向改變，導致種群間出現形態和生理上的差異，但是種群進化不一定會形成新物種。
那么，怎樣判斷兩個種群是不是屬于同一物種？
或者說進化到什么程度，就可以形成新的物種？
一. 物種的概念
1、物種：
能夠在___________下____________并且________________的一群生物。
雜交
雜交
二倍體
四倍體
三倍體
馬（2n=64）
驢（2n=62）
騾（2n=63）
不可育
自然狀態
相互交配
產生可育后代
2、兩個要點：____________、__________________
相互交配
產生可育后代
不同物種之間_____是不能交配的，即使交配成功，也_____產生可育的后代。
一般
不能
一. 物種的概念
1、物種：
能夠在___________下____________并且________________的一群生物。
自然狀態
相互交配
產生可育后代
2、兩個要點：____________、__________________
相互交配
產生可育后代
虎獅獸或獅虎獸
黑色人種
黃色人種
白色人種
孔雀和巨嘴鳥是同一個物種嗎？
不是，它們不能互相交配。
種群 物種
概念
范圍
要點
相互 關系
一個物種可以包括多個種群，種群是物種繁殖、生物進化的基本單位。
生活在一定區域的同種生物全部個體的集合。是生物繁殖的基本單位。
能夠在自然狀態下相互交配并且產生可育后代的一群生物。
種群與物種的區別
較小范圍內的同種生物的個體
分布在不同區域內的同種生物的許多種群組成
一定區域同種生物全部個體
自然狀態下能夠交配并產生可育后代
二. 隔離及其在物種形成中的作用
1、隔離：
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。隔離分為地理隔離和生殖隔離。
隔離
生殖隔離
地理隔離
：同種生物由于地理障礙而分成不同的種群，使得種群間
不能發生基因交流的現象。
：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。
生殖隔離實例
常見種類 實例
受精前隔離 生態隔離
季節隔離
行為隔離
機械隔離
配子隔離
受精后隔離 雜種不活
雜種不育
雜種敗育
不同種群生活在同一區域的不同生境，例如體虱和頭虱寄生場所不同，已經形成了不同的適應性特征
因交配或開花時期發生在不同季節而引起的隔離，例如大西洋鯡魚有的春季產卵，有的秋季產卵
指不同物種之間由于兩性間求偶或交配等行為不同，而阻止了它們之間的相互交配，例如鳥發出的求偶鳴叫、昆蟲的信息素
指不同物種之間因生殖器官大小和性狀不同，而無法交配，例如一些植物花的形態不同，導致不能受粉
指個體之間可以交配和受粉，但是不能發生受精作用，例如一種植物的花粉在另一種植物的柱頭上不能萌發，結果不能受精
指不同生物之間交配、受精之后，形成的雜種胚胎不能正常發育，例如山羊和綿羊的雜種，大多數出生前就會死去
指不同生物之間交配能夠產生正常的雜種后代，但是雜種后代不育，例如馬和驢雜交產生騾子
指形成的雜種后代不育或生活力下降，例如樹棉和草棉之間能夠雜交，能形成可育的F1，但是F2卻十分少見，因未F1的種子通常不能萌發
它們之間還能自由交配并產生可育的后代嗎？
地理隔離
生殖隔離
長期
物種形成的常見的方式：
二. 隔離及其在物種形成中的作用
東北虎
華南虎
由于長期地理隔離而沒有相互交配，沒有基因交流，形成了生殖隔離，它們形成兩個不同的亞種。
二. 隔離及其在物種形成中的作用
2、物種形成的途徑：
自然選擇2
自然選擇1
地理隔離
原種
變異1
變異2
變異類型1
變異類型2
新物種
新物種
生殖 隔離
漸變式（絕大多數）：
基因頻率的定向改變
基因庫差異
導致
種群之間
小種群
基因頻率
發生改變
新物種
地理隔離
自然選擇
生殖隔離
2、物種形成的途徑：
② 爆發式
二倍體
四倍體
物種A
雜種植物
異源多倍體
雜交
染色體加倍
物種B
不需要地理隔離就在很短的時間內出現生殖隔離，從而形成新的物種。主要是通過異源多倍體的染色體變異等方式形成新物種，一出現可以很快形成生殖隔離。
思考1：二倍體西瓜和四倍體西瓜是不是一個物種？為什么？
不是
因為后代三倍體西瓜不可育
思考2：三倍體西瓜算一個新物種嗎？
不算
三倍體西瓜不算物種層次，只能算個體層次。
因為同一物種的雌雄個體間要能夠相互交配并產生可育后代，而三倍體是不可育的，因此三倍體西瓜不算一個物種。
我國育種學家鮑文奎等培育出異源八倍體小黑麥。
普通小麥(AABBDD)　
黑麥(RR)
ABD
R
不育雜種ABDR
小黑麥(AABBDDRR)
優良的小黑麥品種
秋水仙素
品系間雜交
P
配子
F1
F2新品種
Fn
2、物種形成的途徑：
② 爆發式
1、經過漫長的地理隔離，一定會形成生殖隔離嗎？
不一定
如果兩個種群生活環境都不發生變化，或者變化很小，兩個種群的進化方向相同，有可能不會產生生殖隔離。
2、新物種形成一定要經過地理隔離嗎？
不一定
不經過地理隔離，也可以直接形成生殖隔離，例如二倍體植株染色體加倍成了四倍體植株，二者雜交后代產生的三倍體植株是高度不育的，存在生殖隔離
思考：
總結：
① 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時期。隔離是物種形成的必要條件。
② 生殖隔離是物種形成的關鍵，是物種形成的最后階段，是物種間的真正界限。
二. 隔離及其在物種形成中的作用
加拉帕戈斯群島-------達爾文與上帝分手的地方
加拉帕戈斯群島位于南美洲附近的太平洋中，由13個主要島嶼組成，這些島嶼與南美洲大陸的距離為160-950km。
加拉帕戈斯群島不同島嶼的環境有較大差別，比如島的低洼地帶，布滿棘刺狀的灌叢；而在只有大島上才有的高地，則生長著茂密的森林。
這些島嶼是500萬年前由海底的火山噴發后形成的，比南美大陸的形成晚的多。
加拉帕戈斯群島上的地雀
地雀祖先→地理隔離→自然選擇→生殖隔離→不同地雀物種。
地雀祖先
甲島地雀
乙島地雀
丙島地雀
丁島地雀
……
突變和基因重組
自然選擇
甲島地雀1
乙島地雀2
丙島地雀3
丁島地雀4
種群基因庫改變
……
地理隔離
不同
不同
有差異
出現生殖隔離
不同物種
阻斷基因交流
基因頻率向不同方向發生改變
久而久之
形成明顯差異
地理隔離→生殖隔離（新物種形成）
加拉帕戈斯群島上13種地雀形成的過程圖解
隔離
阻斷
突變、基因重組和
種群 出現差異
差異進一步加大
隔離
新種形成
地理
自然選擇
基因頻率
基因庫
生殖
基因交流
加拉帕戈斯群島的地雀的形成方式
朝著不同方向發生改變
地雀在加拉帕戈斯群島的進化分析
地雀祖先
種群1
種群2
種群3
種群4
種群5
地理隔離
突變和基因重組
長期自然選擇
基因頻率定向改變
生殖隔離
加拉帕戈斯群島的地雀
1、設想南美洲大陸的一種地雀來到加拉帕戈斯群島后，先在兩個島嶼上形成兩個初始種群。這兩個種群的個體數量都不多。它們的基因頻率一樣嗎？
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、不同島嶼上的地雀種群，產生突變的情況一樣嗎？
不一樣。因為突變是隨機發生的。
二. 隔離及其在物種形成中的作用
加拉帕戈斯群島的地雀
3、對不同島嶼上的地雀種群來說，環境的作用有沒有差別？這對種群基因頻率的變化會產生什么影響？
不同島嶼的自然環境條件不一樣，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、如果這片海域只有一個小島，還會形成這么多種地雀嗎？
不會。因為個體間有基因的交流。
二. 隔離及其在物種形成中的作用
加拉帕戈斯群島的地雀的形成方式
同一物種
地理隔離，阻隔基因交流
突變、基因重組
種群基因庫出現明顯差異
新物種
自然選擇，基因頻率發生改變
生殖隔離，新物種形成的標志
物種形成的三個環節
①突變和基因重組產生進化的原材料
②自然選擇導致種群基因頻率的定向改變，決定生物進化的方向。
③隔離是新物種形成的必要條件
新物種形成的一般過程
地理隔離
自然選擇
生殖隔離
①不同種群可能會出現不同的突變和基因重組
②不同種群間不發生基因交流
①不同種群所處的環境條件（食物和棲息條件）不同
②自然選擇對不同種群基因頻率的改變所起的作用不同
①種群的基因庫會形成明顯的差異，并逐漸出現生殖隔離
②生殖隔離一旦形成，就形成了不同的物種
③不同種群基因頻率發生不同的變化
③基因頻率向不同方向發生改變
隔離是物種形成的必要條件。
物種形成和生物進化的比較
物種形成 生物進化
標志
變化后生物與原生物的關系
二者聯系 生殖隔離出現
基因頻率改變
因為出現生殖隔離，
與原物種屬于不同物種。
可能屬于同一物種，
也可能屬于不同物種。
只有不同種群的基因庫產生了明顯的差異，出現生殖隔離才形成新物種；
進化不一定產生新物種，但新物種產生的過程中一定存在進化
課堂練習
1．判斷下列與隔離有關的表述是否正確。
（1）在曼徹斯特的樺尺蛾種群中，黑色個體與淺色個體之間未出現生殖隔離。（ ）
（2）加拉帕戈斯群島不同島嶼上的地雀種群之間猶豫地理隔離而逐漸形成了生殖隔離。（ ）
√
√
課堂練習
2．19世紀70年代，10對原產于美國的灰松鼠被引入英國，結果在英國大量繁殖、泛濫成災。對生活在兩國的灰松鼠種群，可以作出的判斷是（ ）
A．兩者尚未形成兩個物種
B．兩者的外部形態有明顯差別
C．兩者之間已經出現生殖隔離
D．兩者的基因庫向不同方向改變
D
二、拓展應用
1. 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”。斑馬和驢雜交產生的后代是可育的嗎？你能從染色體組的角度作出解釋嗎？
斑馬和驢雜交產生的后代是不育的。由題中所給斑馬和驢的染色體數可知，其雜交后代的染色體數為53條（不是偶數），雜交后代無法通過減數分裂產生正常的配子。
2. 在自然界，獅和虎是不可能相遇的。在動物園里，一般也將這兩種動物分開圈養。近年來才出現將它們的幼崽放在一起飼養的做法，目的是獲得有觀賞價值的雜交后代——獅虎獸或虎獅獸，你對這種做法有什么看法？
【提示】學生可以從不同角度提出看法并交流。例如，從科學研究角度看，這樣做可以幫助人們更多地了解生命的奧秘；從生命倫理角度看，獅虎雜交后代中容易出現免疫力低、天折的個體，這些個體會承受一定的痛苦，因此這種做法不宜提倡；從生物學角度看，獅和虎的自然分布區不同，獅分布在草原上，虎分布在森林里，動物園飼養獅和虎時，應盡量提供符合它們天然分布區和習性特點的生活環境，將二者分區域飼養，以體現對自然和生命的尊重。
課堂小結
種群基因組成的變化與物種的形成
種群和種群基因庫
基因突變
基因重組
自然選擇對種群基因頻率變化的影響
概念
提供生物進化原材料
實質：自然選擇定向改變基因頻率，導致生物進化
種群基因頻率的變化
隔離在物種形成中的作用
基因頻率計算方法
染色體變異
概念
地理隔離和生殖隔離
隔離是物種形成的必要條件

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