6.3 种群基因组成的变化与物种的形成课件-2023-2024学年高一下学期生物人教版（2019）必修2

第六章生物的进化 第3节 种群基因组成的变化与物种的形成 （第1课时） 先有鸡还是先有蛋 甲同学说：当然是先有鸡蛋了，因为只有生殖细胞产生的基因突变才能遗传给后代，体细胞即使发生了基因突变，也不能影响后代的性状。 乙同学说：不对，人们在养鸡过程中，是根据鸡的性状来选择的，只让符合人类需求的鸡繁殖后代，因此是先有鸡后有蛋。 探究：你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？ 表型 aa A__ 一 种群 探究：自然选择的直接作用对象是基因型还是表型？生物进化的基本单位是个体还是种群？ 自然选择直接作用的是生物的个体，而且是个体的表型。但是，在自然界，没有哪个个体是长生不死的，个体的表型会随着个体的死亡而消失，决定表型的基因却可以随着生殖而世代延续，并且在群体中扩散。 研究生物的进化，仅研究个体和表型是不够的，还必须研究群体基因组成的变化。 关于自然选择的直接作用对象，达尔文也认为应该是个体的表现型，但他也因此而认为生物进化的基本单位是个体。实际上自然选择中获得优势的个体如果脱离了种群，是无法繁衍后代的，当然也无法将自己的优良基因传递下去，这样的个体对于该种生物的进化毫无意义。所以生物进化的基本单位应该是种群。 生活在一定区域的同种生物的全部个体的集合。 种群是生物进化和繁殖的基本单位 一 种群 2.实例： 1.概念： 一片沼泽地中的全部麋鹿 一片草地上的所有蒲公英 一个朱鹮种群 同一区域（区域可大可小，大到地球，小的可以是一个池塘） 同一物种的生物 全部个体 判断下列是否属于种群： （1）一个池塘中的全部鱼 （2）一个池塘中的全部鲤鱼 （3）两个池塘内的全部青蛙 （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 一 种群 3.种群的三个要素 一 种群 探究：种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。 如同前一年的蝗虫种群相比，新形成的蝗虫种群在基因组成上会有什么变化吗？ VS (1)定义：一个种群中全部个体所含有的全部基因。 (2)大小：种群中基因总数越多，基因库越大，与基因种类无关。 A A A a a a a a a a A a a A a a 某昆虫决定翅色的基因频率 1.种群基因库 二 种群的基因库及基因频率 基因频率= 某基因的总数 该对等位基因的总数 × 100% 注意：等位基因的位置 (1）常染色体或X、Y染色体的同源区段上 (2）X染色体的非同源区段上 基因频率= 某基因的总数 雌性个体数×2 +雄性个体数 × 100% 在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因数的比值 2.基因频率 二 种群的基因库及基因频率 例1：某昆虫种群中决定翅色为绿色的基因为A，决定翅色为褐色的基因为a，从种群中随机抽出100个个体，测知基因型为AA、Aa和aa的个体分别是30、60和10个。那么A和a的基因频率是多少？ A基因频率为: a基因频率为： = 40% A% = ×100% 2×AA＋Aa 2(AA＋Aa＋aa) a% = = 60% 2×aa＋Aa 2(AA＋Aa＋aa) ×100% 方法一：概念法： 三 种群的基因频率——相关计算 例2.某工厂有男女职工各200人，对他们进行调查时发现，女色盲5人，女性携带15人。男性色盲11人，求XB,Xb的频率？ (XB=94% , Xb=6%) 【解析】由于男性个体中的Y染色体上没有与色盲有关的基因，所以应该将Y染色体所占的比例去除。 Xb= ×100% =6% 15 + 5*2 +11 200*2 + 200 方法一：概念法： 三 种群的基因频率——相关计算 方法二：通过基因型频率计算 A基因频率 = AA的基因型频率+1/2Aa基因型频率 A基因频率= 30%+1/2×60% = 60% a基因频率 = 10%+1/2×60% = 40% AA基因型频率为: 30% Aa基因型频率为: 60% aa基因型频率为: 10% a基因频率 = aa的基因型频率+1/2Aa基因型频率 ①在种群中一对等位基因的基因频率之和等于1，基因型频率之和也等于1 ②一个基因的频率 = 该基因纯合子的基因型频率+1/2杂合子的基因型频率 三 种群的基因频率——相关计算 1.假设上述①昆虫种群数量非常大，②所有的雌雄个体间都能自由交配并能产生后代，③没有迁入和迁出， ④不同翅色的个体生存和繁殖的机会是均等的，⑤基因A和a都不产突变，根据孟德尔的分离定律计算。 3.用数学方法讨论基因频率的改变 亲代基因型的频率 AA（30%） Aa（60%） aa（10%） 配子的比率 A（ ） A( ) a( ) a( ) 子一代基因型频率 AA（ ） Aa( ) aa( ) 子一代基因频率 A（ ） a( ) 子二代基因型频率 AA（ ） Aa( ) aa( ) 子二代基因频率 A（ ） a( ) 30% 30% 30% 10% 36% 48% 16% 60% 40% 36% 48% 16% 60% 40% 种群的基因频率和基因型频率可以世代相传不发生变化，保持平衡。 三 种群的基因频率——相关计算 AA基因型频率= aa基因型频率= Aa基因型频率= 3.遗传平衡定律（哈代-温伯格定律） 若种群中一对等位基因为A和a，设A的基因频率=p，a的基因频率=q。(p＋q)=1，则（p+q)2=p2+2pq+q2=1。 三 种群的基因频率——相关计算 p2 q2 2pq 合作探究四：遗传平衡状态需要满足五大条件，对自然界的种群来说，这五个条件都能成立吗？你能举出哪些实例？ 用数学方法讨论基因频率的变化 例：对自然界的种群来说，这5个条件不可能同时都成立。例如，翅色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少些。 （1）足够大的种群是不存在。而根据概率原理，当个体数不是充足大时，实际得到的数 值与理论上的数值就存在误差，实际中子代和亲代的基因频率就会有差异。 （2）所有雌雄个体间都能自由交配并产生后代也是不现实的。也就是说不同基因型的卵 细胞和精子结合的机会不会是均等的 （3）由于各种原因，种群中有的个体会离开该群体，有的个体会迁入该种群。 （4）在自然界中，自然选择是不可抗拒的，始终对种群发挥作用。 （5）基因突变每时每刻都有可能发生。虽然基因突变具有低频性，但考虑种群个体数 目庞大，因种类多，基因突变的数量也是很可观的。 四 种群基因频率的变化 遗传平衡群体 无法进化 怎样进化? 先打破平衡 种群较小 不自由交配 有突变 有选择 有迁入、迁出 基因频率发生改变 四 种群基因频率的变化 例：对自然界的种群来说，这5个条件不可能同时都成立。例如，翅色与环境色彩较一致的，被天敌发现的机会就少些。 合作探究五：对自然界的种群来说，不能满足遗传平衡状态的五个条件种群基因频率会发生变化吗？生物该如何进化呢？ 15 可遗传变异提供了生物进化的原材料。其来源分为突变和基因重组。 1.可遗传变异： 可遗传变异的来源 突变 基因重组 基因突变 染色体变异 四 种群基因频率的变化 合作探究七：生物自发突变的频率很低，且大多数突变对生物体是有害的，它为何还能作为生物进化的原材料呢？ 合作探究六：基因突变与基因频率改变有什么关系？为什么？ 基因突变产生新的等位基因，这就可能使种群的基因频率发生变化。 在这里我们可以把自然选择看做一把筛子，而种群中的变异的和没变异的个体当做筛子上各种形状的被筛选对象，只有符合筛子孔径（适应环境）的个体才能被留下来，其它的经过多次筛选会被淘汰。 16 如：果蝇约有104对基因，假定每个基因的突变率都是10-5，若有一个中等数量的果蝇种群（约有108个个体），那么每一代出现基因突变数是多少呢？ 2 × 104 × 10-5 个体 × 108 种群 = 2 × 107 由此可见，虽然基因突变频率很低，但放到种群中每一代都会有可观的变异量，虽然大多数都是有害的，但是总会出现一些更适应环境的变异，在自然选择过程中被保留下来并逐代积累。 四 种群基因频率的变化 合作探究八：突变的多害少利是绝对的吗？ 前面我们已经知道，现存生物的基因，都是长期适应环境的结果，所以一旦改变，往往是有害的。 17 甲种自然选择 甲种自然选择 乙种自然选择 各种类型的变异 （原材料） （第一次选择） （第二次选择） （第三次选择） 环境改变 长翅 残翅 更适应风小环境 更适应大风环境 不是绝对的，“利”和“害”都是相对于环境而言的。 四 种群基因频率的变化 合作探究九：种群基因频率的改变是否也是不定向的？ 18 探究自然选择对种群基因频率变化的影响 ①现象 长满地衣的灰色树干 工业革命前 灰色(ss)桦尺蛾多 黑色 桦尺蛾 浅色桦尺蛾 工业革命后 环境污染的黑色树干 黑色(S_)桦尺蛾多 黑色 桦尺蛾 浅色桦尺蛾 自然选择对种群基因频率变化的影响 五 探究•实践 S频率低，s频率高 S频率高，s频率低 自然选择可以使种群的基因频率定向改变 桦尺蠖种群中的S基因为什么越来越高？ ②提出问题 ③作出假设 假设1870年，桦尺蛾种群的基因型频率为SS10%,Ss 20%,ss 70%,S基因的频率为20%。在树干变黑这一环境条件下，假如树干变黑不利于浅色桦尺蛾的生存，使得种群中浅色个体每年减少10%,黑色个体每年增加10%。第2~10年间，该种群每年的基因型频率各是多少？每年的基因频率是多少？（计算结果填入下表） 第1年 第2年 第3年 第4年 …… 基因型频率 SS 10% 11.5% Ss 20% 22.9% ss 70% 65.6% 基因频率 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 三 自然选择对种群基因频率变化的影响 探究•实践 ④创设情境示例 讨论1.树干变黑会影响桦尺蠖种群中浅色个体的出生率吗？为什么？ 讨论2.在自然选择过程中，直接受选择的是基因型还是表型？为什么？ 会，因为树干变黑后，浅色个体容易被发现，被捕食的概率增加，许多个体可能没有交配、产卵前就被天敌捕食，导致其个体数减少，影响出生率。 表现型，基因型并不能在自然选择中起直接作用，因为天敌在捕食桦尺蠖时，看到的是桦尺蠖的体色而不是控制体色的基因。 自然选择使基因频率定向改变。 结论：自然选择决定生物进化的方向 探究•实践 ⑤问题 自然选择对种群基因频率变化的影响 五 种群基因频率发生定向改变 不利变异被淘汰，有利变异逐渐积累 变异 自然选择 生物朝一定方向缓慢进化 生物进化的实质是种群基因频率在自然选择作用下的定向改变。 （不定向） （定向） 在自然选择的作用下，有利变异的基因频率不断增大，有害变异的基因频率逐渐减小。 自然选择对种群基因频率变化的影响 五 六 探究抗生素对细菌的选择作用 23 实验原理 一般情况下，一定浓度的抗生素会杀死细菌，但变异的细菌可能产生耐药性。在实验室连续培养细菌时，如果向培养基中添加抗生素，耐药菌有可能存活下来。 目的要求 通过观察细菌在含有抗生素的培养基上的生长状况，探究抗生素对细菌的选择作用。 六 探究抗生素对细菌的选择作用 1.用记号笔在培养皿的底部画线，将培养基分为四个区，标号 实验步骤 2.将细菌涂布在培养基平板上 六 探究抗生素对细菌的选择作用 25 实验过程： 3.①号区域的中央放置不含抗生素纸片和②③④号区域的中央分别放置含有抗生素的纸片 4.将培养皿倒置于37℃的恒温箱中培养12~16h ~ 实验步骤 六 探究抗生素对细菌的选择作用 26 实验过程： 5.观察并测量抑菌圈直径,并取平均值 6.从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌培养，并重复以上步骤 实验步骤 六 探究抗生素对细菌的选择作用 27 抗生素对细菌有选择作用，抗生素对细菌抑制作用越来越弱。 抑菌圈直径/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 组别 实验结果和结论： 六 探究抗生素对细菌的选择作用 28 ①你的数据结果是否支持“耐药菌是普遍存在的”这一说法？ 支持。抑菌圈边缘生长的可能是耐药菌。 ②在本实验条件下，耐药菌所产生的变异是有利的还是有害的？ 在本实验条件下，一般来说是有利的，有利于生物在特定环境中生存和繁殖的变异在此环境中就是有利变异。 ③滥用抗生素有什么后果？ 促进耐药菌的产生。 六 探究抗生素对细菌的选择作用 结果分析 29 课堂小结 生物进化的基本单位 生物进化的原材料 决定生物进化的方向 生物进化的实质 种群 突变和基因重组 自然选择 种群基因频率的定向改变 不同物种之间一般是不能相互交配的，即使交配成功，也不能产生可育的后代，这种现象叫作生殖隔离。 一 物种的概念和生殖隔离 1.物种： 能够在自然状态下相互交配并且产生可育后代的一群生物。 2.生殖隔离： 合作探究二：请小组合作讨论以下生物是否是同一物种？ 骡是不育的 （2）狮子和老虎是一个物种吗？ 是两个物种，虎狮兽是不育的，所以虎和狮是两个物种 一 物种的概念和生殖隔离 （3）全世界的人都是一个物种吗？ 是，无论白人黑人黄种人结婚，都能产生具有生殖能力的后代。 杂交 二倍体 四倍体 三倍体 一 物种的概念和生殖隔离 （4）二倍体西瓜和四倍体西瓜是不是一个物种？ 不是，因为后代三倍体西瓜不可育，存在生殖隔离。 （5）三倍体西瓜是一个新物种吗？ 不是。因为同一物种的雌雄个体间要能够相互交配并产生可育后代，而三倍体是不可育的，因此三倍体西瓜不是一个新物种。 合作探究三：新物种是如何形成的呢？需要具备哪些条件？ 33 不同群体间的个体，在自然条件下基因不能自由交流的现象。包括生殖隔离和地理隔离。 不同物种之间一般是不能相互交配的，即使交配成功，也不能产生可育后代的现象。 虎 狮虎兽 狮 二 隔离及其在物种形成中的作用 1.隔离： ①生殖隔离 34 ②地理隔离 同种生物由于地理障碍而分成不同的种群，使得种群间不能发生基因交流的现象。 东北虎 华南虎 二 隔离及其在物种形成中的作用 合作探究三：地理隔离和生殖隔离之间有什么联系呢？ 35 假象 在一个山谷中，生活着一个鼠种群。雌鼠和雄鼠之间可以自由交配，繁衍后代。后来一条大河出现。 思考并回答如下问题： （1）当这群鼠被大河分开后它们是一个种群还是两个种群呢？ （2）如果大河很快干涸，两群老鼠还能交配吗？ 两个种群。 可以。 二 隔离及其在物种形成中的作用 36 假象 （3）若是几千年后，大河才干涸，两群各自都发生了变化的老鼠会合在一起时，还能发生交配吗？这说明什么？ （4）是什么原因造成同一物种分化成不同类型的新种？ 不能，因为产生了生殖隔离。说明地理隔离可能导致生殖隔离。 隔离使同种但不同种群间的个体，在自然条件下不能发生基因交流。 在一个山谷中，生活着一个鼠种群。雌鼠和雄鼠之间可以自由交配，繁衍后代。后来一条大河出现。 思考并回答如下问题： 二 隔离及其在物种形成中的作用 37 在加拉帕戈斯群岛上生活着13种地雀。这些地雀的喙差别很大，不同种之间存在生殖隔离。而在辽阔的南美洲大陆上，却看不到这13种地雀的踪影。不同岛屿的环境有较大差别，比如岛的低洼地带，布满棘刺状的灌丛；而在只有大岛上才有的高地，则生长着茂密的森林。 思考·讨论 达尔文在环球考察中观察到一个奇怪的现象。加拉帕戈斯群岛位于南美洲附近的太平洋中，由13个主要岛屿组成，这些岛屿与南美洲大陆的距离为160~950km。 加拉帕戈斯群岛的地雀 二 隔离及其在物种形成中的作用 38 2．不同岛屿上的地雀种群，产生突变的情况一样吗？ 不一样。因为突变是随机发生的。 3．对不同岛屿上的地雀种群来说，环境的作用有没有差别？这对种群基因频率的变化会产生什么影响？ 不同岛屿的地形和植被条件不一样，因此环境的作用会有差别，导致种群基因频率朝不同的方向改变。 4．如果这片海域只有一个小岛，还会形成这么多种地雀吗？ 不会。因为个体间有基因的交流。 1．设想美洲大陆的一种地雀来到加拉帕戈斯群岛后，先在两个岛屿上形成两个初始种群。这两个初始种群的个体数量都不多。它们的基因频率一样吗？ 由于这两个种群的个体数量都不够的多，基因频率可能不一样。 思考·讨论 二 隔离及其在物种形成中的作用 39 物种形成的比较常见的方式： 新物种的形成是生物与环境相互影响相互作用的结果。 ① 渐变式（绝大多数） 自然选择2 自然选择1 地理隔离 原种 变异1 变异2 基因频率的定向改变 变异类型1 变异类型2 新物种 新物种 生殖 隔离 不同种群 二 隔离及其在物种形成中的作用 物种形成的三个环节 ①突变和基因重组产生进化的原材料 ②自然选择导致种群基因频率的定向改变 ③隔离是物种形成的必要条件 合作探究四：新物种的形成是否必须经过地理隔离？ ②物种形成的方式：爆发式 二倍体 四倍体 不需要地理隔离就在很短的时间内出现生殖隔离，从而形成新的物种。主要是通过异源多倍体的染色体变异等方式形成新物种，一出现可以很快形成生殖隔离。 物种A 杂种植物 异源多倍体 杂交 染色体 加倍 物种B 短时间内即可形成，如自然界中多倍体的形成。 二 隔离及其在物种形成中的作用 地理隔离 阻断基因交流 基因频率向不同方向发生改变 种群的 出现差异 差异进一步加大 生殖隔离 新物种形成 标 志 总结：加拉帕戈斯群岛的地雀的形成方式 在突变、基因重组和自然选择下 基因库 是物种形成的标志。 物种形成的三个基本环节: （1） 提供原材料 （2） 使基因频率定向改变 （3） 是物种形成的必要条件 突变和基因重组 自然选择 隔离 生殖隔离 二 42 ⑴隔离是物种形成的必要条件。 ⑵物种形成一般是长期地理隔离，达到生殖隔离 ⑶生殖隔离是物种形成的标志 可见，不同物种间都存在着生殖隔离,物种的形成必须经过生殖隔离，但不一定要经过地理隔离。 ⑷生殖隔离形成的根本原因是物种间遗传的差异（或基因库的差异） ⑸物种形成的三个基本环节： ①突变和基因重组产生进化的原材料 ②自然选择决定生物进化的方向(定向) ③隔离导致物种的形成 (6)新物种形成的标志： 出现生殖隔离 课堂小结 Lavf57.71.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$