一、基因频率的改变和生物进化 教案

第7章现代生物进化理论第2节现代生物进化理论的主要内容一种群基因频率的改变与生物进化（第25课时）【教学目标】　　知识与技能1.解释种群，种群基因库、基因频率的概念。　　2.运用数学方法讨论基因频率的变化。　　3.说明突变和基因重组为生物进化提供原材料的原因。4．举例说明自然选择作用可以使种群基因频率发生定向改变　　过程与方法采用互动式教学模式，以教师提供讨论素材，组织引导学生讨论、活动，最后由师生共同总结的形式进行。情感、态度、价值观通过引导学生分析调查或实验所取的数据，培养学生以事实或实验结果为依据得出结论的科学态度；通过教学活动，培养学生“生物是进化来的”、“生物的进化与环境密切相关”的思想观念，帮助学生树立辩证唯物主义的认识观。【教学重点】　1．基因频率的概念。　　2．突变和基因重组、自然选择在生物进化过程中的作用。【教学难点】　　1．基因频率的概念和计算方法。　　2．自然选择对种群基因频率的影响。【学情分析】9 根据教学目标要求，本节课的教学目标是让学生理解并应用基因频率的计算及运用数学方法讨论种群基因频率的改变。学生已经知道了孟德尔遗传定律的主要内容，只是认知水平还有所欠缺，所以在教学中教师只要引导学生理解新的基因型是由不同的雌雄配子结合后而形成的就可以了。所以本节课的重点是种群、基因频率概念；突变和基因重组、自然选择在进化中的作用。关于种群的概念在生命系统的结构中已经有所介绍了，因此难点部分只是基因频率概念；突变和基因重组、自然选择在进化中的作用。【教学过程】导入：上节课我们学习了达尔文自然选择学说的主要观点，下面请同学们依据该学说的基本观点，分析下面的情境：“如果在灰色翅（基因型为aa）昆虫的群体中偶然出现一只绿色翅（基因型为Aa）的变异个体，且绿色比灰色更不易被捕食。那么，昆虫的翅色将怎样变化？”师结合学生的讨论进一步提出问题：1.该变异对于昆虫的存活有什么影响？2.该绿色个体能一直生存下去吗？3.该绿色个体怎样才能把它体内的基因A传递下去？4.如果该个体与其他个体交配生殖，后代还是绿色翅吗？生讨论回答：1.该变异有利于昆虫躲避天敌，增加生存并繁殖后代的机会；2.生物个体总会因为各种各样的原因死亡，例如天敌的捕食、疾病、衰老等等；3.生物只有通过生殖繁殖后代才能将自己的基因传递下来；概括：个体的生命周期是有限的，没有哪个个体可以长生不老，但有利于变异的基因只有在群体中通过生殖才能延续。因此研究生物的进化，仅仅研究个体的表现型是否与环境相适应是不够的，还需要研究整个群体基因组成的变化，这个群体就是种群。一、种群是生物进化的基本单位（一）种群1、种群概念：生活在一定区域的同种生物的全部个体。强调对该概念的理解：（1）两个要素：“同种”和“全部”（2）一个条件：“一定区域”（3）两个方面：种群是生物繁殖的基本单位；种群是生物进化的基本单位。（4）种群的特点：种群的个体之间具有年龄和性别的差别，并不是机械地结合在一起。个体之间彼此可以交配，并通过繁殖将各自的基因传递给后代。2、举例判断9 （1）一个池塘中的全部鲤鱼；是（2）一个池塘中的全部鱼；不是（3）一片草地上的全部植物；不是（4）一片草地上的全部蒲公英。是过渡：种群个体间具有年龄和性别的差异，并不是机械的结合在一起。彼此可以交配实现基因交流，并通过繁殖将各自的基因传递给后代。研究生物的进化必须研究种群的基因组成和变化。如何分析种群的基因组成和变化呢？由此人们提出基因库和基因频率的概念。什么是基因库？基因频率的含义是什么？（二）种群基因频率的变化1、基本概念（1）基因库：一个种群中全部个体所含有的全部基因，叫做这个种群的基因库。（2）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，叫做基因频率。（3）基因型频率：在一个种群中，某种基因型个体在某种群中出现的频率。提问：对于一个种群如何得以知道某个基因频率的大小呢？2、基因频率的有关计算基因频率的计算往往采用抽样统计的方法。师提供例题，引导学生计算。（1）已知调查的各种基因型的个数计算基因频率例1：假设从某个昆虫种群中随机抽取100个个体，测得基因型为AA、Aa、aa的个体分别是30、60、10，计算基因的频率。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=（60+60）/200=60%；a基因的频率=（20+60）/200=40%。某种基因的频率=该种群中此基因的数量/该种群中此基因和等位基因数的总和（2）已知基因型频率求基因频率抽样统计结果的呈现方式有两种。一种以基因型个数的方式呈现，还有一种以基因型的频率出现（说明基因型频率的概念）。师提出问题：如何根据基因型频率计算基因频率？例2假设某个昆虫种群中有30%的AA、60%的Aa、10%的aa，计算基因的频率。A基因频率=30％+(1/2)×60％=60％a基因频率=10％+(1/2)×60％=40％9 师对学生计算结果进行评价，并引导学生归纳计算的方法和公式：某种基因频率=该基因纯合体基因型的频率+该基因杂合体基因型的频率×1/2。种群中一对等位基因的频率之和为13、用数学方法讨论基因频率的变化——遗传平衡定理基因可以通过繁殖实现前后代基因的传递，那么，在繁殖传递过程中，基因频率会不会发生变化呢？有哪些因素能引起基因频率和基因型频率的改变呢？（引入教材思考与讨论）例1：假设从某个昆虫种群中随机抽取100个个体，测得基因型为AA、Aa、aa的个体分别是30、60、10，计算基因的频率。A基因频率=；a基因频率=（1）假设上述昆虫的种群满足以下几点:①该种群非常大；②所有的雌雄个体都能进行自由交配并产生后代；③没有迁人和迁出；④自然选择对不同表现型的个体作用等效；⑤这对基因不发生突变，并且携带这对基因的染色体不发生变异。（2）根据孟德尔的分离规律计算：①从亲本到所产生的配子在有性生殖过程中，在满足上述条件的情况下，这个种群产生的A、a的雄配子的比例是0.6:0.4；这个种群产生的A、a的雌配子的比例是0.6:0.4；②从配子的结合到子一代的基因型雄配子雌配子0.6A0.4a0.6A0.36AA0.24Aa0.4a0.24Aa0.16aa③从子一代的基因型到子一代的基因频率A=36％+(1/2)×48％=60％；a=16％+(1/2)×48％=40％根据解析完成下列表格：亲代基因型的频率AA(30%)Aa(60%)aa(10%)配子的比率A(30%)A(30%)a(30%)a(10%)子一代基因型频率AA(36%)Aa(48%)aa(16%)9 子一代基因频率A(60%)a(40％)子二代基因型频率AA(36%)Aa(48%)aa(16%)子二代基因频率A(60%)a(40％)因此，通过计算子一代中的基因频率没有改变，如果继续满足这五个条件，那么这个种群的基因A和基因a的频率将永远保持不变，基因型的频率也会一直保持不变。这就是著名的遗传平衡定理——也称哈代—温伯格定理由英国科学家哈代和德国科学家温伯格分别单独提出，在一个极大的随机交配的种群中，在无突变、无自然选择、无迁入迁出的条件下，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。若种群中，一等位基因为A和a，设A的基因频率为p，a的基因频率为q，∵p+q=A%+a%=1，如果这个种群达到了遗传平衡，那么遗传平衡定律可以写成：∴（p+q）2=p2+2pq+q2=AA%+Aa%+aa%=1p2：代表纯合子（基因型是AA）的基因型频率2pq:代表杂合子（基因型是Aa）的基因型频率q2：代表纯合子（基因型是aa）的基因型频率即：AA=p2Aa=2pqaa=q2总结：遗传平衡所指的种群是理想的种群，在自然条件下，同时满足以上5个条件显然是不可能的，这样的种群是不存在的，这也从反面说明了，自然界中种群的基因频率一定会发生变化，也就是说种群的进化是必然的。二、突变和基因重组是产生进化的原材料引入：在自然界中基因频率总会发生改变的，在影响种群基因频率的五个因素中，又以变异和自然选择最为突出，接下来我们将详细讨论变异和自然选择对种群基因频率是如何影响的。通过问题导入的形式，层层深入讲解：（1）所有的变异都能导致基因频率的变化吗？为什么？答：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。（2）可遗传的变异的来源有哪几个方面呢?答：基因突变、基因重组和染色体变异。其中，我们把基因突变和染色体变异统称为突变9 。也就是说，突变和基因重组引起了可遗传的变异，对生物的进化起到了非常重要的作用。（3）基因突变与基因频率的改变有什么关系呢?答：基因突变可以产生新的等位基因，是可遗传变异的根本来源，是种群基因频率改变的基础。（4）突变和基因重组对于种群遗传组成的改变一样吗？为什么？答：不一样，因为只有基因发生改变才能出现新基因，才能丰富基因库，改变基因频率。重组可以增加基因型的种类。（5）自然界中生物的自然突变频率很低，而且一般对生物体是有害的。为什么还能够作为生物进化的原材料呢?答：因为种群是由许多个体组成的。每个个体都有成千上万个基因，虽然每个基因的突变率都很低，但每个种群的每一代都会产生大量的突变基因，所以对于种群来说发生突变的数量是很大的。例如：每个果蝇约有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)，请同学们计算出每一代出现的基因突变数是多少?每代出现基因突变数是2×104×10-5×108=2×l07个。这说明种群中每代产生的基因突变的数量是很大的，并通过繁殖得到积累，成为基因频率改变的基础。而且突变的有利或有害并不是绝对的，而是相对的，它取决于生物的生存环境。（6）自然界的生物进化是有方向的，生物具有普遍的适应现象。突变和基因重组产生的变异有方向吗？它们会使生物产生适应性吗？突变和基因重组都是随机的，不定向的，它只为进化提供原材料，不能决定生物进化的方向。在突变过程中产生了许多相应的等位基因。通过有性生殖过程中的基因重组，形成了多种多样的基因型，从而使种群出现大量的可遗传变异。但是，这些变异的产生是不定向的，因此，无法定向改变基因频率，也就不能决定生物进化的方向。过渡：生物进化的方向是由什么因素决定的呢？请探究下面的问题三、自然选择决定生物进化的方向探究：自然选择对种群基因频率变化的影响[目的要求]学会用数字化问题情境的方法探究自然选择在生物进化中的作用[方案设计]9 1、提出问题桦尺蠖种群中S基因（决定浅色性状）的频率为什么越来越低呢？2、作出假设自然选择使桦尺蠖种群基因频率_______________改变。3、设计实验（1）创设数字化情况：1870年，桦尺蠖种群基因频率如下：SS10%、Ss20%、ss70%，S基因频率为_________%，s基因频率为_________%。在树干变黑的环境下，不利浅色桦尺蠖的生存，浅色个体每年减少10%，黑色个体每年增加10%。（2）计算2—10年间，SS、Ss、ss三种基因型个体的相对数量变化相对个体数年份基因型第1年第2年第3年第4年第5年第6年SS101112.113.314.616.1Ss202224.226.629.332.2ss706356.75145.941.3（3）计算SS、Ss、ss基因型频率及S、s基因频率①基因型频率=×100%②S基因频率=×100%③s基因频率=1－S基因频率4、现象观察：将计算结果记录到下表频率年份基因第1年第2年第3年第4年第5年第6年基因型频率SS10%11.5%13%14.6%16.2%18%Ss20%22.9%26%29.2%32.4%36%ss70%65.6%61%56.1%51.1%46.1%基因频率S20%23%26%29.3%32.6%35.9%S80%77%74%70.7%67.4%64%5、实验结论自然选择使桦尺蠖种群中基因频率____________改变。9 [误区警示]每年的种群个数总数是变化的，所以计算式的分母并非总是200，应当用个体相对数量表中的当年总数代入公式。[问题探究]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？答：不影响。出生率是指种群中单位数量个数在单位时间内产生新个体的数目取决于种群个体的繁殖能力与树干变黑无关。2、在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表现型？为什么？答：表现型。表现型是基因型的外在表现与环境直接作用。总结：从宏观(性状)和微观(基因)两方面分析生物进化的原因。1.从宏观(性状)上看进化过程为：19世纪中期桦尺蠖的浅色性状与环境色彩相似，属于保护色，较能适应环境而大量生存；黑色性状与环境色彩差异很大，不能适应环境，易被捕食者捕食。因此，突变产生后，后代的个体数受到限制。19世纪中期到20世纪中期，由于地衣死亡，桦尺蠖栖息的树干裸露并被烟熏黑，使得黑色性状与环境色彩相似而大量生存；浅色性状与环境色彩差异很大，易被捕食者捕食而大量被淘汰。表现为适者生存，不适者被淘汰。2．从微观(基因)来看进化过程为：19世纪中期以前，由于黑色基因(S)为不利变异基因，控制的性状不能适应环境而受到限制，因此，当时种群中浅色基因(s)的频率为95％，黑色基因(S)的频率为5％。到20世纪中期由于黑色基因(S)控制的性状能适应环境而大量生存并繁殖后代，浅色基因(s)控制的性状不能适应环境而大量被淘汰，使后代数量大量减少。结果浅色基因(s)的频率下降为5％，黑色基因(S)的频率上升为95％。结果是淘汰了不利变异的基因，而保留了有利变异基因，通过遗传逐渐积累。结论：由此可见，种群中产生的变异是不定向的，经过长期的自然选择，其中的不利变异被不断淘汰，有利变异则逐渐积累，从而使种群的基因频率发生定向改变，导致生物朝着一定的方向缓慢地进化。因此，生物进化的方向是由自然选择决定的。【课堂检测】1.下列生物属于种群的是()A、一块水田里全部的水稻、水草、鱼、虾及其他生物B、一块朽木上的全部真菌C、一块棉田中全部的幼蚜、有翅、无翅的成蚜D、一个池塘中全部的鱼9 2.对生物进化的方向起决定作用的是()A、基因重组B、基因突变C、染色体变异D、自然选择3.曾经有一种治疗感冒的新药问世时，疗效很高，几年后疗效渐低，因为感冒病毒具有了抗药性，其根本原因可能是()A、病毒接触了药物后，缓慢的产生了抗药性B、病毒为了适应环境产生了抗药性的变异C、抗药性的出现是选择的结果D、后来药量用少了，所以产生了抗药性的变异4.在一个种群中，随机抽出一定数量的个体。其中基因为AA的个体占24%，Aa的个体占72%，aa的个体占4%，那么基因A和a的频率分别是（）A.36%、64%B.57%、43%C.24%、22%D.60%、40%5.据调查得知，某小学的学生中基因型比率为：XBXB：XBXb：XbXb：XBY：XbY=44%：5%：1%：43%：7%，则Xb的基因频率为（）A.13.2%B.5%C.14%D.9.3%6.根据哈代——温伯格定律：（p+q)2=p2+2pq+q2=1，在一个处于遗传平衡的种群中，有AA个体400只，Aa个体500只，aa个体100只，则三年后，该种群中AA基因型个体和aa基因型个体各占（）A.40%和10%B.65%和35%C.42.25%和12.25%D.40%和60%7.某植物种群中基型AA的个体占20%，基因型aa的个体占50%。（1）这个种群中基因A的频率是，a的基因频率是。（2）这个种群自交一代后，基因型AA的个体占%，基因A的频率；aa的基因型个体占______________%，a的基因频率是_____________。（3）这一种群如果连续自交多代，它的进化趋势是________________，从基因频率上看是_________________，而从基因型上看是_______________________________________。[答案]1、C2、D3、C4、D5、D6、C7、（1）35%，65%（2）27.5%，35%，57.5%，65%（3）没有发生变化，没有改变，杂合体所占比例愈来愈小，纯合体所占比例越来越大。9