2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 6.3 第1课时 种群基因组成的变化及探究抗生素对细菌的选择作用

第3节　种群基因组成的变化与物种的形成
【学习目标】
1.阐述种群、种群基因库、基因频率等概念的内涵,会用数学方法讨论自然选择使种群基因频率发生改变的过程。(科学思维、科学探究)
2.阐明自然选择对种群基因频率变化的影响。(生命观念、科学思维)
3.通过探究抗生素对细菌的选择作用,理解耐药菌的出现是可遗传变异的结果,耐药菌比例的增大是抗生素选择的结果。(科学思维、社会责任)
4.明确隔离在物种形成中的作用。(生命观念、科学思维)
第1课时　种群基因组成的变化及探究抗生素对细菌的选择作用
【自主预习】
一、种群和种群基因库
1.种群:生活在一定区域的　同种　生物　全部个体　的集合。
2.种群基因库:一个种群中　全部　个体所含有的　全部　基因。
3.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　的比值。
4.基因型频率:某特定基因型的个体在全部个体中所占的比值。
二、种群基因频率的变化及自然选择对种群基因频率
变化的影响
1.种群基因频率的变化
(1)可遗传变异来源于突变(包括　基因突变　和　染色体变异　)和　基因重组　。
(2)可遗传变异的形成、特点和作用
形成:a.　基因突变　产生新的等位基因;b.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　。
特点:随机的、　不定向的　。
作用:提供生物进化的　原材料　,不能决定生物进化的　方向　。
(3)变异的有利和有害是相对的,是由　生存环境　决定的。
2.自然选择对种群基因频率变化的影响
(1)原因:在自然选择的作用下,具有有利变异的个体有更多的机会产生后代,种群中相应基因的频率会　不断提高　;相反,具有不利变异的个体留下后代的机会少,种群中相应基因的频率会　下降　。
(2)结果:在自然选择的作用下,　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。
三、探究抗生素对细菌的选择作用
1.实验目的: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。
2.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。
3.实验步骤
分组、编 号、做标记 用记号笔在培养皿的　底部　画2条　相互垂直　的直线,将培养皿分为4个区域,分别标记为①~④
接种 对照组:取少量细菌的培养液,用　无菌的涂布器　(或无菌棉签)均匀地涂抹在　培养基平板上　
自变量 控制 实验组:用无菌的镊子先夹取1张　不含抗生素　的纸片放在　①号区域　的中央,再分别夹取1张抗生素纸片放在　②~④号区域　的中央,盖上皿盖
培养 将培养皿倒置于37 ℃的恒温箱中培养12~16 h
因变量 观测 观察培养基上纸片附近是否出现　抑菌圈　。如果有,测量和记录每个实验组中　抑菌圈　的直径,并取平均值
重复实验 从　抑菌圈边缘　的菌落上挑取细菌,接种到已灭菌的　液体培养基　中培养,重复步骤2~5。如此重复几代,记录每一代培养物抑菌圈的直径
【合作探究】
任务1　探究种群基因组成的变化
活动1　阅读课本P110~111,用数学方法理解种群基因频率的变化,结合材料回答问题
　　某桦尺蛾种群中,黑色体色的基因为S,浅色体色的基因为s,抽样调查100个个体,测得基因型为SS、Ss、ss的个体数分别为10、20、70个。假设该桦尺蛾种群数量非常大,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,不同体色的个体生存和繁殖的机会是均等的,S和s基因都不产生突变。
1.哪些因素会导致种群的基因库发生改变
提示　基因突变,染色体变异,自然选择,种群个体的迁入、迁出等都会使种群的基因库发生改变。
2.该种群中S、s基因的频率各是多少 子一代基因型频率是多少
提示　S基因的频率=×100%=20%,s基因的频率=×100%=80%。子一代基因型频率:SS占20%×20%=4%,Ss占2×20%×80%=32%,ss占80%×80%=64%。
3.子一代种群的基因频率各是多少
提示　子一代种群中,S基因的频率为4%+(1/2)×32%=20%,s基因的频率为1-20%=80%。
4.子二代、子三代以及若干代以后,种群的基因频率会与子一代一样吗 请完成下表:
亲代基因型的比值 SS(10%) Ss(20%) ss(70%)
配子的比值 S(10%) S(10%) s(10%) s(70%)
子一代基因型频率 SS(4%) Ss(32%) ss(64%)
子一代基因频率 S(20%) s(80%)
子二代基因型频率 SS(　　) Ss(　　) ss(　　)
子二代基因频率 S(　　) s(　　)
提示　4%　32%　64%　20%　80%　子二代、子三代以及若干代以后,种群的基因频率与子一代一样。
认知生成
比较项目 含义 变化后与进化的关系
基因型频率 ×100% 生物不一定进化
基因频率 ×100% 生物进化
(续表)
比较项目 含义 变化后与进化的关系
基因库 一个种群中全部个体所含有的全部基因 可导致生物进化,它的变化是形成新物种的前提
例1　桦尺蛾的体色受一对等位基因控制,其中黑色(S)对浅色(s)为显性。将某桦尺蛾种群分成两组,分别迁移到甲、乙两个区域中,甲地是煤炭工业重镇,乙地是闭塞的山区,数年后抽样调查,结果如下表所示。下列有关说法不正确的是(　　)。
区域 SS/% Ss/% ss/%
甲 80 18 2
乙 2 8 90
A.甲地S基因的频率为89%,乙地S基因的频率为6%
B.甲地的大部分s基因突变为S基因,故S基因的频率升高
C.从上述材料得知生物进化的方向是由自然选择决定的
D.从上述材料得知生物进化的实质是种群基因频率的变化
　　【答案】　B
【解析】　由题表数据可知,甲地种群内S基因的频率=(80×2+18)/(80×2+18×2+2×2)×100%=89%,s基因的频率=1-89%=11%;而乙地种群内S基因的频率=(2×2+8)/(2×2+8×2+90×2)×100%=6%,s基因的频率=1-6%=94%,A正确。甲地种群内控制黑色的S基因的频率较高,而乙地种群内控制浅色的s基因的频率较高,这些不同与这两个种群的生活环境有关,甲地种群生活在污染严重的环境中,而乙地种群生活在基本未受污染的环境中,B不正确,C、D正确。
对点练1　(不定项)下列关于种群基因频率的叙述,错误的是(　　)。
A.基因频率是指某个基因型在某个种群中出现的比例
B.基因频率越大,突变率越高
C.基因突变、基因重组和自然选择会导致基因频率的改变
D.自然选择会使原来同一种群的基因频率向着不同的方向发展
　　【答案】　AB
【解析】　在一个种群基因库中,某个基因占全部等位基因数的比值,叫作基因频率,A错误;基因频率越大,突变的个体数越多,而突变率一般是不变的,B错误;由于存在基因突变、基因重组和自然选择等因素,种群的基因频率总是在不断变化的,C正确;基因频率的定向改变是由自然选择决定的,D正确。
活动2　阅读课本P112~114,理解自然选择对种群基因频率变化的影响
1.上图中桦尺蛾发生了什么变化 发生这种变化的原因是什么
提示　在树干变黑的环境下,浅色桦尺蛾易被天敌发现和捕食,基因型为ss的个体越来越少,基因型为SS和Ss的个体越来越多,决定黑色性状的S基因频率越来越高,决定浅色性状的s基因频率越来越低。发生这种变化的原因是环境发生了改变。
2.对桦尺蛾种群来说,在自然选择过程中直接受选择的是　　　　　　,因为天敌看到的是性状,而不是控制性状的基因。
提示　表型
3.所有的变异都能导致种群基因频率的改变吗 为什么
提示　不是。只有可遗传的变异才能影响种群基因的组成,才能改变基因频率。
4.桦尺蛾种群中发生的可遗传变异有　　　　　(包括基因突变和染色体变异)和　　　　　。
提示　突变　基因重组
5.突变具有低频性,它还能为生物进化提供原材料吗 为什么
提示　能。虽然突变的频率低,但一个种群往往由许多个体组成,而每个个体的细胞内都有成千上万个基因,所以在种群中每一代都会产生大量突变。
6.有人认为“发生在体细胞中的基因突变不能传递给后代,因此不能为生物进化提供原材料”,这种说法　　　　(填“正确”或“不正确”),因为　 　。
提示　不正确　发生在体细胞中的突变,可以通过无性繁殖的方式传递给后代,能为生物进化提供原材料
7.生物进化的实质是什么 如何判断一个种群是否发生了进化
提示　生物进化的实质是种群基因频率的改变。 判断的依据是种群基因频率是否发生改变。
例2　19世纪英国工业革命之前曼彻斯特地区的桦尺蛾以灰色为主。工业革命污染后,当地桦尺蛾体色几乎全为黑色。下列有关叙述正确的是(　　)。
A.工业革命污染导致桦尺蛾种群出现黑色变异
B.桦尺蛾种群的全部基因型构成了该种群的基因库
C.不同体色桦尺蛾的同时存在体现了物种的多样性
D.自然选择是适应性进化的唯一因素,自然选择的方向有可能发生改变
　　【答案】　D
【解析】　变异是不定向的,黑色变异本来就存在,环境起了选择的作用,使得黑色个体数量增多,A错误;桦尺蛾种群的全部个体所含有的全部基因构成了该种群的基因库,B错误;灰色桦尺蛾与黑色桦尺蛾为同一物种,不能体现物种的多样性,C错误;生物进化的实质是种群基因频率的改变,自然选择通过定向改变种群的基因频率使生物朝着一定的方向进化,自然选择不是进化的唯一因素,但却是适应性进化的唯一因素,若环境发生了改变,则自然选择的方向有可能发生改变,D正确。
对点练2　(2023·台州统考)某种昆虫的翅长由多对等位基因控制,该种昆虫的一个种群从大陆迁移到某海岛上,经调查其翅长和个体数的关系如图甲所示,若干年后翅长与个体数的关系如图乙所示。据图分析,下列叙述正确的是(　　)。
A.该海岛环境最初适合中等翅长昆虫生存
B.控制该种昆虫翅长的全部等位基因组成一个基因库
C.突变和基因重组使昆虫种群产生定向变异
D.自然选择导致该昆虫种群基因频率发生定向改变
　　【答案】　D
【解析】　分析图甲,该昆虫由大陆迁移到海岛上时,中等翅长的个体最多,说明大陆环境适合中等翅长昆虫生存,而不能说明海岛环境最初适合中等翅长昆虫生存,A错误;一个种群中全部个体所含有的全部基因,构成这个种群的基因库,B错误;突变和基因重组可以使种群产生变异,但变异是不定向的,C错误;在自然选择的作用下,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,D正确。
任务2　探究抗生素对细菌的选择作用
活动3　阅读课本P115,探究抗生素对细菌的选择作用
1.为什么要从抑菌圈边缘的菌落上挑取细菌 抗生素纸片周围的抑菌圈的直径为什么会逐代变小
提示　一定浓度的抗生素能够杀死细菌,在抑菌圈边缘的抗生素浓度较低,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。因为经过抗生素的持续多代筛选,细菌的耐药性越来越强,抗生素抑制细菌生长的作用越来越弱,抑菌圈的直径越来越小。
2.在本实验的培养条件下,耐药菌所产生的变异是有利的还是有害的 你怎么理解变异是有利的还是有害的
提示　有利的,基因突变具有随机性和不定向性,突变的有利或有害取决于生物所处的环境条件,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。有利于细菌的变异对人类是有害的,面对不同的主体,应辩证地看待变异的有利有害性。
3.滥用抗生素的现象十分普遍。例如,有人生病时觉得去医院很麻烦,就直接吃抗生素;有的禽畜养殖者将抗生素添加到动物饲料中。你认为这些做法会有什么后果
提示　滥用抗生素会使病菌的抗药基因不断积累,抗药性不断增强,导致抗生素失效。另外,滥用抗生素,会大量杀死体内正常细菌,造成体内菌群失调。
例3　(2023·广西联考)国家多次下达“抗生素使用限令”,其原因是抗生素的使用是一把双刃剑,在杀死部分细菌的同时也会使细菌产生耐药性,致使现在细菌的耐药性越来越强,有效的药物越来越少,如再不采取行动,终将面临“无药可用”的窘境。下列叙述不正确的是(　　)。
A.滥用抗生素导致细菌耐药性增强是自然选择的结果
B.细菌一般只能发生基因突变,偶尔也可能发生基因重组
C.滥用抗生素是对细菌的有利基因进行选择,且决定了新基因的产生
D.滥用抗生素可使细菌耐药基因频率提高,使细菌朝耐药性逐渐增强的方向进化
　　【答案】　C
【解析】　滥用抗生素导致细菌耐药性增强是抗生素发挥选择作用的结果,A正确;细菌属于原核生物,其变异方式一般只有基因突变,其不含染色体,所以没有染色体变异,偶尔可以发生基因重组,如肺炎链球菌R型菌向S型菌的转化,B正确;抗生素对细菌变异进行选择,但不决定新基因的产生,C不正确;抗生素对细菌变异的选择导致细菌耐药基因频率提高,最终细菌朝耐药性增强的方向进化,D正确。
对点练3　(2023·湖南联考)联合国环境规划署发布的一份报告指出,气候变化及其他环境因素可能使细菌增强对抗生素的抵抗能力,产生更多的“超级细菌”。如果不采取措施遏制微生物耐药性增强趋势,预计到2050年,每年与微生物耐药性相关联的死亡人数将上升至1000万人。下列说法正确的是(　　)。
A.耐药性是滥用抗生素诱发基因突变所致
B.即使使用新品种抗生素,也无法影响“超级细菌”的进化
C.细菌耐药性的增强仅与滥用抗生素有关
D.耐药性基因频率的改变会导致生物朝着一定的方向进化
　　【答案】　D
【解析】　基因突变具有不定向性,抗生素只是起到选择作用,A错误;使用新品种抗生素可能会杀死部分“超级细菌”,进而影响“超级细菌”的进化,B错误;气候变化及其他环境因素可能增强细菌的耐药性,C错误;种群的基因频率改变,会导致生物进化,D正确。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)一个种群中某基因占所有基因数的比值叫作基因频率。 (×) (2)在环境条件保持稳定的前提条件下,种群的基因频率不会发生变化。 (×) (3)从根本上讲,没有突变,就没有生物的进化。 (√) (4)突变具有低频性,不能为生物进化提供原材料。 (×)
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