基因频率的改变和生物进化_教案

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

【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】

   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：

1.“桦尺蠖体色的黑色（S）和浅色是（s）一对相对性状，当时树干上均因长满地衣呈浅色，请判断哪种体色的桦尺蠖数量较多，为什么？

2．如果后来由于环境污染使地衣不能生存，所以树干呈现黑褐色，你认为两种桦尺蠖的数量是否会发生改变？为什么？

3．你认为该地区的桦尺蠖有没有进化？

生回答：

1. 浅色。该体色有利于躲避天敌，增加生存的机会。

2. 黑色。该体色有利于躲避天敌，增加生存的机会

3. 进化了。

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，但适应环境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

（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％

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1

3、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

    A=36％+(1/2)×48％=60％；a=16％+(1/2)×48％=40％

根据解析完成下列表格：

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%=1

p2：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=p2         Aa=2pq      aa= 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）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。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。

（2）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。

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。

（3）自然界的生物进化是有方向的，突变和基因重组是否能决定生物进化的方向？

 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

试分析从19世纪到20世纪，桦尺蠖由于环境改变使S（黑色）和s（浅色）基因频率如何变化？

S基因频率:    5%     95%s 基因频率： 95%     5%

结论

自然选择使桦尺蠖种群中基因频率__定向_改变。

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。

四：课堂小结

生物进化的基本单位   种群    

生物进化的实质      基因频率的改变  

生物进化的原材料   突变和基因重组      

决定生物进化的方向      自然选择       

五：作业