1、种群基因频率的改变与生物进化种群基因频率的改变与生物进化 “中弱不胜中弱不胜触触 ，外坚聊自外坚聊自郛郛 ”，这是苏东坡对蜗牛的这是苏东坡对蜗牛的描述描述 。如果如果在蜗牛壳为黄色在蜗牛壳为黄色（aaaa）的群体）的群体中偶然中偶然出现一只出现一只棕色（棕色（AaAa）蜗牛壳的）蜗牛壳的变异变异个体，个体，则棕色则棕色比黄色比黄色更容易被更容易被敌害发敌害发现现。问题探讨问题探讨思考：思考：1.蜗牛的这种蜗牛的这种变异变异有利于有利于生物进化生物进化吗？吗？2.若棕色个若棕色个体能很好体能很好地生存下来地生存下来，它，它体内的体内的A基因如何才能传递给基因如何才能传递给子代呢？子代呢？一、种群
2、是生物进化的基本单位一、种群是生物进化的基本单位1 1、种群、种群：生活在一定区域的同种生物的全部个体。生活在一定区域的同种生物的全部个体。种群中的个体并不是机械地集合在一起种群中的个体并不是机械地集合在一起,而是彼此可以交配而是彼此可以交配,并通过繁殖将各自的基因传给后代。并通过繁殖将各自的基因传给后代。生活生活在这里的每一种动物、植物和微生物都构成一个种群。在这里的每一种动物、植物和微生物都构成一个种群。生物个体通过繁殖将自己的基因传递给后代。生物个体通过繁殖将自己的基因传递给后代。例：判断下列是否属于种群例：判断下列是否属于种群（1 1）一个池塘中的全部鲤鱼）一个池塘中的全部鲤鱼（2 2
3、）一个池塘中的全部雄鲤鱼）一个池塘中的全部雄鲤鱼（3 3）一个池塘中的全部鱼）一个池塘中的全部鱼（4 4）一片草地上的全部植物）一片草地上的全部植物（5 5）一片草地上的全部蒲公英）一片草地上的全部蒲公英种群概念的要点：种群概念的要点：1.1.同种生物的全部个体，概念的外延不能扩大，也不能缩小。同种生物的全部个体，概念的外延不能扩大，也不能缩小。2.2.个体之间必须可以相互交配，实现基因的交流和传递。个体之间必须可以相互交配，实现基因的交流和传递。3.3.一个物种可以形成很多种群。一个物种可以形成很多种群。种群在繁衍过程中，个体有新老交替，基因却代代相传。这句话种群在繁衍过程中，个体有新老交替
4、，基因却代代相传。这句话表明种群在进化过程中处于什么地位？表明种群在进化过程中处于什么地位？说明说明在自然界中，种群是生物繁殖、进化的基本单位。在自然界中，种群是生物繁殖、进化的基本单位。2、种群、种群的特点：的特点：种群种群中的个体并不是机械地集合在一起，而是中的个体并不是机械地集合在一起，而是彼此可以交彼此可以交配实现基因交流配实现基因交流，并通过繁殖将各自的基因传给后代。，并通过繁殖将各自的基因传给后代。同前同前一年的蝗虫种群相比，新形成的蝗虫种群在基因组成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？上会有什么变化吗？性状性状是由基因控制的，因此研究生物的进化必须研究
5、种是由基因控制的，因此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？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。由此人们提出基因库和基因频率的概念。3 3、基因库、基因库：一个种群中全部个体所含有的全部基一个种群中全部个体所含有的全部基因。因。4 4、基因频率基因频率：在一个种群基因库中在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基，某个基因占全部等位基因数的比率因数的比率。基因频率基因频率=某基因的数目某基因的数目该基因的等位基因的总数该基因的等位基因的总数 100%100%5 5、基因型频率基因型频率：在一个种群基因库中在
6、一个种群基因库中，某个基因型的个体占个，某个基因型的个体占个体总数的比率体总数的比率。一一个种群所有个种群所有个体各自有自己个体各自有自己的基因，共同构的基因，共同构成了种群的基因成了种群的基因库。它们各自的库。它们各自的基因都是基因库基因都是基因库的一部分。个体的一部分。个体间的差异越大，间的差异越大，基因库也就越大。基因库也就越大。生物进化其实就是生物进化其实就是种群基因频率改变种群基因频率改变的过程。的过程。人类把鲫鱼的后代人类把鲫鱼的后代培育成金鱼，实质就是培育成金鱼，实质就是通过选择改变基因频率。通过选择改变基因频率。从图中看，红色基因的从图中看，红色基因的频率显著提高了。频率显著提
7、高了。A的基因频率的基因频率=120 _ 200=60%a的基因频率的基因频率=80 _ 200=40%基因频率的计算基因频率的计算某昆虫种群中，绿色翅的基因为某昆虫种群中，绿色翅的基因为A,褐色翅的基因为褐色翅的基因为a，调查发现，调查发现AA、Aa、aa的个体分别的个体分别占占 30%、60%、10%、那么那么A、a的基的基因频率分别是多少？因频率分别是多少？A基因数基因数=23060=120个个a基因数基因数=60210=80个个AA+Aa+aa=1A的基因频率的基因频率 a的基因频率的基因频率=1 1 1、假设上述、假设上述昆虫种群非常大昆虫种群非常大，所有的，所有的雌雄个体间都能自由
8、交配雌雄个体间都能自由交配并产生后代，并产生后代，没有迁入和迁出没有迁入和迁出，自然选择对翅色这一相对性状没自然选择对翅色这一相对性状没有作用有作用，基因基因A A和和a a都不产生突变都不产生突变，根据孟德尔的分离定律计算：，根据孟德尔的分离定律计算：(1)(1)该种群产生的该种群产生的A A配子和配子和a a配子的比率各是多少？配子的比率各是多少？(2)(2)子代基因型的频率各是多少？子代基因型的频率各是多少？(3)(3)子代种群的基因频率各是多少？子代种群的基因频率各是多少？(4)(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子二代、子三代以及若干代以后，种群的基因频率会同子
9、一代一样吗？代一样吗？用数学方法讨论基因频率的变化用数学方法讨论基因频率的变化亲代亲代基因型的频率基因型的频率 AA(30%)Aa(60%)aa(10%)配子的比率配子的比率A()A()a()a()子代基因型频率子代基因型频率AA()Aa()aa()子代基因频率子代基因频率A()a()30%30%30%30%30%30%10%10%36%36%48%48%16%16%60%60%40%40%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？种群来说，这五个条件都成立吗？你能举出哪些实例？3
10、.如果该种群出现新的突变型如果该种群出现新的突变型(基因型为基因型为A2a或或A2A2)，也就是产，也就是产生新的等位基因生新的等位基因A2，种群的基因频率会变化吗？基因，种群的基因频率会变化吗？基因A2的频率的频率可能会怎样变化？可能会怎样变化？突变产生的新基因会使种群的基因频率发生变化突变产生的新基因会使种群的基因频率发生变化。基因。基因A2的的频率是增加还是减少，要看这一突变对频率是增加还是减少，要看这一突变对生物体是生物体是有益还是有有益还是有害的，这取决于生物生存的环境。害的，这取决于生物生存的环境。这这5个条件是：个条件是：种群足够大；种群足够大；种群中个体间的交配是随机的；种群中
11、个体间的交配是随机的；没有基因突变发生；没有基因突变发生；没有迁入和迁出；没有迁入和迁出；没有自然选择。没有自然选择。通过计算通过计算,我们可以得到如下结论我们可以得到如下结论:在在满足满足5个基本前提的情况下：种群中，亲子个基本前提的情况下：种群中，亲子代之间代之间的的_频率频率会发生变化会发生变化,但是但是_频率频率保持固定不变。保持固定不变。基因型基因型基因基因 如果上述基本前提不存在或者发生改变如果上述基本前提不存在或者发生改变 ，种群的基因频，种群的基因频率还会保持不变吗？率还会保持不变吗？能使种群基因频率发生变化的因素有哪些？能使种群基因频率发生变化的因素有哪些？突变和基因重组；突
12、变和基因重组；迁入和迁出；迁入和迁出；自然选择。自然选择。生物学上，把生物学上，把基因突变基因突变和和染色体变异染色体变异统称为统称为突变突变。用数学方法讨论基因频率的变化用数学方法讨论基因频率的变化遗传平衡定律遗传平衡定律 遗传平衡定律是由英国数学家哈代和德国医生温伯格分别于遗传平衡定律是由英国数学家哈代和德国医生温伯格分别于1908年和年和1909年独立证明的，这一定律又称年独立证明的，这一定律又称哈代哈代温伯格温伯格定律，定律，它是指在一个它是指在一个极大的随机交配极大的随机交配的种群中，在的种群中，在没有突变、没有突变、选择和迁移选择和迁移的条件下，种群的基因频率和基因型频率可以世的条
13、件下，种群的基因频率和基因型频率可以世代相传代相传不发生变化，保持平衡不发生变化，保持平衡。在满足以上五个条件下：在满足以上五个条件下：若种群中一等位基因为若种群中一等位基因为A和和a，设，设A的基因频率的基因频率=p，a的基因频率的基因频率=q，因为因为pq=A%+a%=1，则则（p+q）2=p2+2pq+q2=AA%+Aa%+aa%=1。AA的基因型频率的基因型频率=p2；aa的基因型频率的基因型频率=q2；Aa的基因型频率的基因型频率=2pq。基因频率的计算：基因频率的计算：（1）通过）通过基因型基因型计算基因频率：计算基因频率：（2）通过通过基因型频率来基因型频率来计算基因频率：计算基
14、因频率：计算时需用计算时需用遗传平衡公式遗传平衡公式:(p+q)2=p2+2pq+q2=1。若种群。若种群中一对等位基因为中一对等位基因为A和和a，设，设p为为A的基因频率，的基因频率，q为为a的基的基因频率，则因频率，则p2为为AA的基因型频率，的基因型频率，q2为为aa的基因型频率，的基因型频率，2pq为为Aa的基因型频率。这一公式反映的是在遗传平衡时，的基因型频率。这一公式反映的是在遗传平衡时，基因频率和基因型频率的关系。基因频率和基因型频率的关系。种群中一对等位基因的频种群中一对等位基因的频率之和等于率之和等于1，基因型频率之和也等于，基因型频率之和也等于1。基因突变基因突变产生新的等
15、位基因，这就可能使种群的基因频率产生新的等位基因，这就可能使种群的基因频率发生变化。发生变化。现代现代遗传学表明：可遗传的变异来源于基因突变、基因重遗传学表明：可遗传的变异来源于基因突变、基因重组和染色体变异。其中，基因突变和染色体变异统称为突变。组和染色体变异。其中，基因突变和染色体变异统称为突变。二、二、突变和基因重组产生进化的原材料突变和基因重组产生进化的原材料 思考：自然界中生物的自然突变频率很低，而且一般对生物思考：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。为什么还能够改变种群中的基因频率呢？体是有害的。为什么还能够改变种群中的基因频率呢？例如：果蝇约有例如：果蝇约有
16、104对基因，假定每个基因的突变率都是对基因，假定每个基因的突变率都是10-5，若有一个中等大小的果蝇种群（约有若有一个中等大小的果蝇种群（约有108个个体个个体），那么每一那么每一代出现的基因突变数是多少呢？代出现的基因突变数是多少呢？2 104 10-5个个体体108种种群群=2 107实例：在经常实例：在经常刮大风刮大风的海岛上，无翅或残翅的昆虫特别多的海岛上，无翅或残翅的昆虫特别多 突变的有利和有害突变的有利和有害并不是绝对并不是绝对的，它取决于生物的生存环境的，它取决于生物的生存环境某海岛上的无翅和残翅昆虫某海岛上的无翅和残翅昆虫1.种群中突变的特点：突变数很大、不定向。种群中突变的
17、特点：突变数很大、不定向。2.种群基因重组的结果：产生更多变异、不定向。种群基因重组的结果：产生更多变异、不定向。结论：突变和基因重组产生进化的原材料。结论：突变和基因重组产生进化的原材料。基因突变基因突变染色体变异染色体变异基因重组基因重组突变突变可遗传的变异可遗传的变异基因频率改变的因素基因频率改变的因素突变突变基因重组基因重组新的等位基因新的等位基因多种多样多种多样的基因型的基因型种群中出现种群中出现大量大量 可可遗传的变异遗传的变异变异是变异是不定向不定向的的形成了形成了进化的原材料进化的原材料,不能决定生物进化的方向不能决定生物进化的方向 突变和基因重组在提供进化原材料的同时，能否决
18、定生物突变和基因重组在提供进化原材料的同时，能否决定生物进化的方向呢？进化的方向呢？决定生物进化方向的因素又是什么呢？决定生物进化方向的因素又是什么呢？三、自然选择决定生物进化的方向三、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的影响探究：自然选择对种群基因频率的影响长满地衣的树干上长满地衣的树干上的桦尺蠖的桦尺蠖黑褐色树干上的黑褐色树干上的桦尺蠖桦尺蠖 （2）现在我们用数学方法来讨论一下桦尺蠖基因频率变）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。化的原因。1870年桦尺蠖种群的基因型频率为年桦尺蠖种群的基因型频率为SS 10%，Ss 20%，ss 70%，在树干变黑这
19、一环境条件下，假如树干变，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少10%，黑色个体每年增加，黑色个体每年增加10%，以后的几年内，桦尺蠖，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？种群每年的基因型频率与基因频率是多少呢？（1）根据前面所学的你能作出假设吗？）根据前面所学的你能作出假设吗？假设自然选择可以使种群的基因频率发生定向改变。假设自然选择可以使种群的基因频率发生定向改变。第第1 1年年第第2 2年年第第3 3年年第第4 4年年基因型基因型频率频率SS10%11.5%Ss2
20、0%22.9%ss70%65.6%基因频基因频率率S20%23%s80%77%70.7%26%29.2%14.7%56.1%60.9%26.1%73.9%29.3%13.1%升高升高降低降低(3)在这个探究实验中根据上面的数据分析，变黑的环境对桦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？出生率有影响吗？(4)在自然选择中，直接受选择的是基因型还是表现型？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变黑的环境使控制浅色的s基因频率减小，控制黑色的
21、基因频率减小，控制黑色的S基因频基因频率增加；率增加；许多浅色个体可能在没有交配、产卵前就已被天敌捕食。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（基因型）。（基因型）。原因是：原因是：淘汰不利变异基因、积累有利变异基因淘汰不利变异基因、积累有利变异基因结果是：结果是：使基因频率定向改变使基因频率定向改变结论：结论：自然选择决定生物进化的方向自然选择决定生物进化的方向生物进化中，自然选择是定向生物进化中，自然选择是定向的，它使基因频率的改变也是的，它使基因频率的改变也是定向的，而变异是不定向的。定向的，而变异是不定向的。生物进化的实质，就是种群基因频率的改变生物进化的实质，就是种群基因频率的改变 表面表面看，自然选择是对一个个生物个体的选择，实质上看，自然选择是对一个个生物个体的选择，实质上是对个体所包含的变异进行选择。从现代分子遗传水平看，是对个体所包含的变异进行选择。从现代分子遗传水平看，自然选择实质上是对变异所对应的基因的选择，从而改变着自然选择实质上是对变异所对应的基因的选择，从而改变着群体中不同基因的基因频率。群体中不同基因的基因频率。所以，生物进所以，生物进化的过程的实质化的过程的实质是种群基因频率是种群基因频率发生变化的过程。发生变化的过程。
