6.3 种群基因组成的变化与物种的形成 课件(共75张PPT)

(共75张PPT)
6.3 种群基因组成的变化与物种的形成
第六章 生物的进化
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。
你同意哪位同学的观点？你的答案和理由是什么？
自然选择直接作用的是生物的个体，而且是个体的表型。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。
果蝇X染色体上的
部分基因示意图
一、种群基因组成的变化
种群：生活在一定区域的同种生物全部个体的集合。
一片树林中的全部猕猴是一个种群
一片草地上的所有蒲公英是一个种群
种群的个体并不是机械地结合在一起。一个种群其实就是一个繁殖的单位，雌雄个体可以通过繁殖将各自的基因遗传给后代。
种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。
蝗虫产卵
种群是生物进化的基本单位
一、种群基因组成的变化
基因库：
一个种群中全部个体所含有的全部基因。
基因频率：
在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因数的比率。
基因型频率：
某基因型个体数占群体内全部个体数的比率。
一、种群基因组成的变化
在某昆虫种群中，决定翅色为绿色的基因是A，褐色的基因是a，从这个种群中随机抽取100个个体，测得基因型为AA、Aa和aa的个体分别是30、60和10个。
A基因的数量：2×30+60=120个
a基因的数量：2×10+60=80个
A基因的频率：120÷200=60%
a基因的频率：80÷200=40%
基因频率=
___________________________
某种基因的数目
控制同种性状的等位基因的总数
×100%
一、种群基因组成的变化
在某昆虫种群中，决定翅色为绿色的基因是A，褐色的基因是a，从这个种群中随机抽取100个个体，测得基因型为AA、Aa和aa的个体分别是30、60和10个。
AA基因型的频率：30÷100=30%
Aa基因型的频率：60÷100=60%
aa基因的频率：10÷100=10%
基因型频率=
________________
该基因型个体数
该种群个体总数
×100%
一、种群基因组成的变化
15＋2＋14
200×2＋200
　　1. 某工厂有男女职工各200名，对他们进行调查时发现，女性色盲基因携带者为15人，女性患者1人，男性患者14人，这个群体中色盲基因的频率应为（　 ）
　　A. 15% 　　 B. 3.88% 　　C. 5.17% 　　 D. 10.3%
C
色盲（b）基因频率＝
＝5.17％
× 100%
解析：
应用探究
　　2. 已知人眼中的褐色（A）对蓝色（a）是显性。在一个有30000人的人群中，蓝眼人有3600人，褐眼的有26400人，其中纯合体有12000人。那么，在这个人群中A和a基因频率分布为（ 　）
　　A. 0.64和0.36
　　B. 0.36和0.64
　　C. 0.50和0.50
　　D. 0.82和0.18
A
应用探究
　　3. 在某一种群中，已调查得知，隐性性状者（等位基因用A、a表示） 占16%，那么该性状的AA、Aa基因型个体出现的频率分别为（　　）
　　A. 0.36、0.48 B. 0.36、0.24
　　C. 0.16、0.48 　　D. 0.48、0.36
A
应用探究
种群基因频率基因型频率的相关计算
1、通过基因型频率计算基因频率
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
例：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
用数学方法讨论基因频率的变化
　 假设上述昆虫种群非常大，所有的雌雄个体间都能自由交配并产生后代，没有迁入和迁出，自然选择对翅色这一相对性状没有作用，基因A和a都不产生突变，根据孟德尔的分离定律计算：
　　（1）该种群产生的A配子和a配子的比率是多少？
　　（2）子代基因型的频率各是多少？
　　（3）子代种群的基因频率各是多少？
　　（4）子二代、子三代以及若干代以后，种群的基因频率会同子一代一样吗？
知识海洋
新代基因型的频率 AA(30%) Aa(60%) aa(10%)
配子的比率 A( ) A( ) a( ) a( )
子代基因型频率 AA( ) Aa( ) aa( )
子代基因频率 A ( ) a( ) 30%
30%
30%
10%
36%
48%
16%
60%
40%
自由交配——配子法
子一代配子→ ↓ 60% A
40% a
60% A
40% a
36% AA
16% aa
24% Aa
24% Aa
亲代 子一代 子二代 子三代
基因型频率 AA 30%
Aa 60%
aa 10%
基因频率 A
a
36%
48%
16%
60%
40%
36%
16%
48%
60%
60%
40%
40%
36%
48%
16%
60%
40%
上述在群体满足五个条件的情况下,计算子二代、子三代的基因频率与基因型频率 ; 分析一下各代基因频率与基因型频率相同吗？
　　由此可见，如果满足上述五个条件，则亲代和子代每一种基因的频率都不会改变，到再下一代也是如此，也就是说基因频率可以代代保持稳定不变。
　　这就是哈代－温伯格平衡，也叫遗传平衡定律。
用数学方法讨论基因频率的变化P111
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
因为(p＋q)=A%+a%=1，
则（p+q）2=p2+2pq+q2=AA%+Aa%+aa%=1 。
满足5个前提条件情况下：
子一代配子→ ↓ A=p
a=q
A=p
a=q
AA=p2
aa=q2
Aa=pq
Aa=pq
AA的基因型频率=p2；
aa的基因型频率=q2；
Aa的基因型频率=2pq。
2.上述计算结果是建立在五个假设条件基础上的。对自然界的种群来说，这五个条件都成立吗？你能举出哪些实例？
　　在实际中，这样的平衡是不存在的。
　　第一：足够大的种群是不存在；
　　第二：种群中充分的随机交配也是不现实的；
　　第三：基因突变每时每刻都有可能发生；
　　第四：由于各种原因，种群中有的个体会离开该群体，相反的可能，有的同种的外来个体会迁入该种群；
　　第五：在自然界中，自然选择是不可抗拒的，始终对种群发挥作用。
　　所以从理论上分析，种群基因频率的改变是不可避免的，生物的进化是必然的。
知识海洋
3、如果该种群出现新的突变型（基因型为A2 a或A2 A2 ，也就是产生新的等位基因A2，种群的基因频率会变化吗？基因A2的频率可能会怎样变化？
会发生变化
A2的基因频率是上升还是下降，要看这一突变对生物体是有益的还是有害的。
二、种群基因频率的变化
基因突变在自然界是普遍存在的。基因突变产生新的等位基因，这就可以使种群的基因频率发生变化。
可遗传的变异
变异
不可遗传的变异
基因突变
染色体变异
基因重组
突变
影响种群基因频率变化的因素
①突变和基因重组
生物自发突变的频率很低，而且许多突变是有害的，但是由于种群是由许多个体组成，每个个体的细胞中都有成千上万个基因，每一代就会产生大量的突变。
【例如】果蝇1组染色体上约有1.3×104个基因，假定每个基因的突变频率都为10-5，对一个约有108个个体的果蝇种群来说，每一代出现的基因突变数是：
2×1.3×104×10-5×108=2.6×107（个）
影响种群基因频率变化的因素
②生物的生存环境
突变的有害和有利也不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。
【例如】有翅的昆虫中有时会出现残翅和无翅的突变类型，这类昆虫在正常情况下很难生存下去。但是在经常刮大风的海岛上，这类昆虫却因为不能飞行而避免了被海风吹到海里淹死。
某海岛上残翅和无翅的昆虫
影响种群基因频率变化的因素
③有性生殖过程中的基因重组
基因突变产生的等位基因，通过有性生殖过程中的基因重组，可以形成多种多样的基因型，从而使种群中出现多种多样可遗传的变异类型。
猫由于基因重组而产生的毛色变异
自然选择对种群基因频率变化的影响
英国的曼彻斯特地区有一种桦尺蛾（其幼虫叫桦尺蠖）。它们夜间活动，白天休息在树干上。杂交实验表明，桦尺蛾的体色受一对等位基因S和s控制，黑色(S)对浅色(s)是显性的。
在19世纪中叶以前，桦尺蛾几乎都是浅色型的，该种群中S基因的频率很低，在5%以下。到了20世纪中叶，黑色型的桦尺蛾却成了常见的类型，S基因的频率上升到95%以上。
长满地衣的树干上的桦尺蛾
黑色树干上的桦尺蛾
长满地衣的树干上的桦尺蛾
黑褐色树干上的桦尺蛾
自然选择对种群基因频率的影响
英19世纪曼彻斯特
英20世纪曼彻斯特
自然选择可以使种群的基因频率定向改变
问题：桦尺蛾种群中s基因的频率为什么越来越低？
假设：
探究
现在我们用数学方法来讨论一下桦尺蠖基因频率变化的原因。1870年桦尺蠖的基因型频率为SS 10% ； Ss 20%； ss 70%，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蠖的生存，使得种群中浅色个体每年减少10%，黑色个体每年增加10%，以后的几年内，桦尺蠖种群每年的基因型频率与基因频率是多少呢？
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%
13.1%
升高
26%
60.9%
26.1%
73.9%
14.6%
29.3%
56.1%
29.3%
70.7%
降低
分析结果，得出结论：桦尺蛾的灰色（ss）不适应环境而被淘汰，导致基因s频率不断降低，基因S频率升高。
(1)在这个探究实验中根据上面的数据分析，变黑的环境对桦尺蠖产生了什么样的影响？变黑的环境对桦尺蠖浅色个体的出生率有影响吗？
(2)在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表现型？
变黑的环境使控制浅色的s基因频率减少,S基因频率增加。
有影响。许多浅色个体可能在没有交配、产卵前就已被天敌捕食。
天敌看到的是桦尺蠖的体色（表现型）而不是控制体色的基因。
结论：自然选择决定生物进化的方向
自然选择使基因频率定向改变。
自然选择决定了生物进化的方向
突变和基因重组为生物进化提供了原材料，自然选择可以使基因频率发生定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化。
原因：淘汰不利变异基因，积累有利变异基因。
结果：使基因频率定向改变。
三、自然选择对种群基因频率的影响
生物进化的实质是基因频率的改变
种群基因频率的改变，标志着生物的进化。
突变和重组不定向，自然选择定向，基因频率改变定向
人为选择
探究抗生素对细菌的选择作用：
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。
通过观察大肠杆菌在含有卡那霉素的培养基上的生长状况，探究抗生素对细菌的选择作用。
抑菌圈
（直径越大，抗生素的作用越强）
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验过程：
1、将培养基分为四个区，标号
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验过程：
2、将细菌涂布在培养基平板上
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验过程：
3、每个区域分别放置不含抗生素和含有抗生素的纸片
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验过程：
4、37℃培养
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验过程：
5、观察并测量抑菌圈直径
资料
实验过程：
6、挑取细菌培养并重复以上步骤
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
实验结果和结论：
资料
探究抗生素对细菌的选择作用：
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
卡那霉素对大肠杆菌的选择作用
实验结果和结论：
组别
探究抗生素对细菌的选择作用：
讨论：
1、为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌？
2、实验是否证明耐药菌是普遍存在的？
3、实验中耐药菌产生的变异是有利的还是不利的？
抗生素能够杀死细菌，在抑菌圈边缘抗生素浓度较低，可能存在具有耐药性的细菌，因此要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌。
有利的，基因突变具有随机性和不定向性，有利或有害取决于所处的环境条件，在本实验的环境条件下，耐药性细菌的存活率高，故为有利变异。
4、此实验给我们什么启示？
组别 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
卡那霉素对大肠杆菌的选择作用
第1年 第2年 第3年 …
S 20% 22.95% 25.8%
s 80% 77.05% 74.2%
结论：种群的基因频率会发生定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化。
基因
频率
自然环境对桦尺蛾的选择作用
总结：
课堂练习
1．从基因水平看，生物进化的过程就是种群基因频率发生定向改变的过程。判断下列相关表述是否正确。
（1）某地区红绿色盲患者在男性中约占8%，在女性中约占0.64%，由此可知，红绿色盲基因Xb的基因频率约为8%。（ ）
（2）基因频率变化是由基因突变和基因重组引起的，不受环境的影响。（ ）
（3）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。（ ）
√
X
√
课堂练习
2．种群是物种在自然界的存在形式，也是一个繁殖单位。下列生物群体中属于种群的是（ ）
A．一个湖泊中的全部鱼
B．一片森林中的全部蛇
C．一间屋中的全部蟑螂
D．卧龙自然保护区中的全部大熊猫
D
课堂练习
3．某一瓢虫种群中有黑色和红色两种体色的个体，这一性状由一对等位基因控制，黑色(B)对红色(b)为显性。如果基因型为BB的个体占18%，基因型为Bb的个体占78%，基因型为bb的个体占4%。基因B和b的频率分别为（ ）
A．18%、82% B．36%、64%
C．57%、43% D．92%、8%
C
课堂练习
4．一只果蝇的突变体在21℃的气温下，生存能力很差，但是，当气温上升到25.5℃时，突变体的生存能力大大提高。这说明（ ）
A．突变是不定向的
B．突变是随机发生的
C．突变的有害或有利取决于环境条件
D．环境条件的变化对突变体都是有害的
C
课堂练习
5．下列对种群概念的叙述，正确的是(　　)
A．不同空间中同种生物个体的总和
B．生活在同一地点的同种生物的全部个体
C．一片水田中的所有鱼的总和
D．一个生态环境中有相互关系的动植物的总和
B
练习与应用P114
1.如选择育种，杂交育种
2.若气候等其他条件也合适，并且这个种群具有一定的繁殖能力，该种群的个体总数也会迅速增加，否则，也可能仍然处于濒危状态甚至灭绝
练习与应用P114
练习与应用P114
（1）二者存在正相关的关系。依据调查数据
（2）随着抗生素人均使用量的增加，不耐药的细菌生存和繁殖的机会减少，耐药菌生存和繁殖的机会增加，耐药性基因在细菌种群中的基因频率逐年上升。
（3）由于细菌繁殖很快，耐药率的上升速度也很快，因此需要加强监控。我国卫生部门建立了相关监测机制，说明党和政府关注民生。医疗机构及时通报预警信息，有利于全国各医院机构共同及时采取措施，如更换新的抗生素类药物，将细菌耐药率控制在较低水平。
（4）提示：合理使用抗生素，防止滥用抗生素。
隔离在物种形成中的作用
同种生物的不同种群，由于突变和选择因素的不同，其基因组成可能会朝不同的方向改变，导致种群间出现形态和生理上的差异。
马
驴
骡子
它们是同一个物种吗？
隔离在物种形成中的作用
1.物种：
能给自然状态下相互交配并且产生可育后代的一群生物。
2.物种与种群的区别：
① 同一物种可以分布在不同区域；
种群是同一区域内的同一物种的全部个体。
② 种群是物种繁殖和进化的基本单位。
应用探究
1. 只要不同种群的基因库产生了明显差异，就一定产生新物种吗？（科学思维）
隔离
①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。
②生殖隔离
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。
3.隔离：
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。
隔离在物种形成中的作用
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。
隔离在物种形成中的作用
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。
加拉帕戈斯群岛的地雀
二、隔离及其在物种形成中的作用P117
设想南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多，基因频率可能是不一样的。
讨论1
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。
讨论2
二、隔离及其在物种形成中的作用P117
讨论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？
　　不同岛屿的自然环境条件不一样，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。
讨论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。
二、隔离及其在物种形成中的作用P118
甲岛地雀
乙岛地雀
丙岛地雀
丁岛地雀
……
突变和基因重组不定向
环境不同，自然选择不同
甲岛地雀1
乙岛地雀2
丙岛地雀3
丁岛地雀4
种群基因库形成明显差别，出现生殖隔离
……
隔离是物种形成的必要条件
地理隔离
新物种形成的标志：出现生殖隔离
地雀祖先
隔离在物种形成中的作用
加拉帕戈斯群岛的地雀是通过地理隔离形成新物种的著名实例。
总结：
① 地理隔离是物种形成的量变阶段，生殖隔离是物种形成的质变时期。隔离是物种形成的必要条件。
② 生殖隔离是物种形成的关键，是物种形成的最后阶段，是物种间的真正界限。
③长期的地理隔离不一定形成生殖隔离，生殖隔离的形成也不一定经过地理隔离。
（1）渐变式
②实例：加拉帕戈斯群岛上13种地雀经过长期的地理隔离而达到生殖隔离，从而形成新物种，这是物种形成的主要方式。
4. 物种形成的三种方式
①模型：
②实例：自然界多倍体植物是在短时间内通过染色体变异的方式形成新物种。
①模型：
（2）爆发式
4. 物种形成的三种方式
　　通过植物体细胞杂交（如番茄—马铃薯）、多倍体育种（如八倍体小黑麦）等方式也可以创造新物种。
（3）人工创造新物种
4. 物种形成的三种方式
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隔离导致物种形成。
（2）关系图：
5. 物种形成的三个环节
（1）内容：
应用探究
2. 生物进化一定导致新物种的形成吗？（科学思维）
物种形成和生物进化的比较
物种形成 生物进化
标志 生殖隔离出现 基因频率改变
变化后生物与原生物的关系 属于不同物种 可能属于同一物种；
也可能属于不同物种
二者联系 只有不同种群的基因库产生了明显的差异，出现生殖隔离才形成新物种； 进化不一定产生新物种，但新物种产生的过程中一定存在进化
课堂练习
1．判断下列与隔离有关的表述是否正确。
（1）在曼彻斯特的桦尺蛾种群中，黑色个体与浅色个体之间未出现生殖隔离。（ ）
（2）加拉帕戈斯群岛不同岛屿上的地雀种群之间犹豫地理隔离而逐渐形成了生殖隔离。（ ）
√
√
课堂练习
2．19世纪70年代，10对原产于美国的灰松鼠被引入英国，结果在英国大量繁殖、泛滥成灾。对生活在两国的灰松鼠种群，可以作出的判断是（ ）
A．两者尚未形成两个物种
B．两者的外部形态有明显差别
C．两者之间已经出现生殖隔离
D．两者的基因库向不同方向改变
D
课堂练习
3．下列关于物种的叙述，正确的是(　　)
①不同种群的生物肯定不属于同一个物种 ②具有一定形态结构和生理功能，能相互交配且产生可育后代的一群生物个体 ③隔离是形成新物种的必要条件　④在物种形成过程中必须有地理隔离和生殖隔离
A．①②④　　　 B．①②③④
C．②③ D．③④
C
课堂练习
4．下图表示种群与物种的关系，关于它们的叙述，不正确的是( 　)
A．从图中可以看出，一个物种可以有很多种群，地理隔离阻碍了这些种群进行基因交流
B．若物种2是由物种1形成的，则物种1一定发生了基因频率的改变
C．由物种1形成物种2的必要条件是地理隔离
D．若种群1与种群2的基因频率都发生了改变，则这两个种群都在进化
C
课堂练习
5．下列关于物种的说法不正确的是(　　)
A．不同种群的生物可能属于同一个物种
B．一个物种只含有一个生物
C．同一物种具有相似的形态和生理特征
D．自然状态下，能通过有性生殖繁殖后代，且后代也有繁殖能力
B