種群基因頻率的改變與生物進(jìn)化教學(xué)設(shè)計(jì)葛麗俠

1、教學(xué)設(shè)計(jì) 阜陽一中 葛麗俠必修2 第7章 現(xiàn)代生物進(jìn)化理論第二節(jié) 一 種群基因頻率的改變與生物進(jìn)化一 、設(shè)計(jì)思想 高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)在“課程設(shè)計(jì)思路”中明確指出必修2模塊有助于學(xué)生認(rèn)識生命的延續(xù)和發(fā)展，領(lǐng)悟假說演繹、建立模型等科學(xué)方法及在科學(xué)研究中的應(yīng)用；生物的遺傳變異與環(huán)境變化在進(jìn)化過程中的對立統(tǒng)一，形成生物進(jìn)化觀點(diǎn)。在具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)“說明現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的主要內(nèi)容”給出了兩個活動建議：收集生物進(jìn)化理論發(fā)展的資料和用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的變化。這些活動與標(biāo)準(zhǔn)的課程基本理念中倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，力圖改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究、勤于動手，逐步培養(yǎng)學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知

2、識的能力、分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，突出創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是相互呼應(yīng)的。在本節(jié)中以上的觀點(diǎn)和能力培養(yǎng)在學(xué)生活動中得以充分體現(xiàn)。鑒于以上考慮，在教學(xué)的過程中，利用教材又不拘泥于教材，使用“教學(xué)案”，提供生物學(xué)史的拓展閱讀和訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生通過種群基因頻率的計(jì)算模型的建立，進(jìn)一步了解遺傳平衡定律；通過運(yùn)用數(shù)學(xué)分析模擬遺傳平衡定律的發(fā)現(xiàn)提高對基因頻率變化的原因的認(rèn)識，形成生物進(jìn)化的觀點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生探究“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”使學(xué)生領(lǐng)悟假說演繹法在生物進(jìn)化理論研究中的應(yīng)用。二、教學(xué)目標(biāo)知識1、解釋種群是生物進(jìn)化的基本單位。2、簡述基因頻率的概念及基因頻率的計(jì)算方法。3

3、、說出突變和重組為生物進(jìn)化提供原材料的原因。4、舉例說明自然選擇在生物進(jìn)化中的作用。能力1、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法討論種群基因頻率的變化。2、運(yùn)用生物進(jìn)化觀點(diǎn)解釋一些生物現(xiàn)象。3、領(lǐng)悟建立模型和假說演繹法在生物進(jìn)化理論研究中的應(yīng)用情感態(tài)度與價值觀形成“變是絕對的，不變是相對的”“量變會引起質(zhì)變”“內(nèi)因與外因相互作用”等對立統(tǒng)一的觀點(diǎn)。 形成生物進(jìn)化的觀點(diǎn)和生物進(jìn)化理論在發(fā)展的觀念。三、教學(xué)策略與手段1、教學(xué)重點(diǎn)及解決方法教學(xué)重點(diǎn)種群、物種、基因頻率等概念。突變和基因重組、自然選擇在生物進(jìn)化過程中的作用。解決方法（1）通過具體的實(shí)例和計(jì)算來理解相關(guān)的概念。（2）通過探究活動的教學(xué)理解自然選擇在生物進(jìn)化過程

4、中的作用。2、教學(xué)難點(diǎn)及解決方法教學(xué)難點(diǎn)（1）基因頻率的概念與計(jì)算。（2）自然選擇對種群基因頻率的影響。（3）領(lǐng)悟建立模型和假說演繹法在生物進(jìn)化理論研究中的應(yīng)用解決方法（1）通過練習(xí)計(jì)算基因頻率，“遺傳平衡定律”發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用的拓展訓(xùn)練建立“基因頻率”計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，掌握概念，理解其在生物進(jìn)化理論中的作用。（2）指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材P116117的資料，提出問題作出假設(shè)制定探究方案。進(jìn)一步掌握運(yùn)用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的變化。理解自然選擇決定生物進(jìn)化方向。（3）提供拓展閱讀了解進(jìn)化的生物學(xué)史，體會假說演繹法的應(yīng)用。課時安排：2課時四、教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容教師的組織和引導(dǎo)學(xué)生活動教學(xué)意圖第一課時復(fù)習(xí)導(dǎo)入新課一

5、、種群是進(jìn)化的基本單位1、 種群2、 種群基因庫3、 基因頻率4、 用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的變化5、 遺傳平衡定律組織學(xué)生復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容：達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的主要內(nèi)容。提出問題：達(dá)爾文的學(xué)說的局限性是什么？達(dá)爾文對生物的進(jìn)化解釋局限于個體水平，對于遺傳和變異的本質(zhì)不清楚。組織學(xué)生看書和閱讀教學(xué)案相關(guān)內(nèi)容，理解種群的概念。讓學(xué)生閱讀課文引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)基因頻率的計(jì)算及公式推導(dǎo)。師生互動總結(jié) 種群中某基因頻率=種群中該基因總數(shù)/種群中該對等位基因總數(shù)100% 種群中某基因型頻率=該基因型個體數(shù)/該種群的個體數(shù)100% 種群中某基因頻率=該基因控制的性狀純合體頻率1/2雜合體頻率教師巡回指導(dǎo)，解答學(xué)生

6、的疑問，引導(dǎo)學(xué)生完成探究過程。指導(dǎo)學(xué)生閱讀教學(xué)案中補(bǔ)充的“遺傳平衡定律的發(fā)現(xiàn)及其意義”的內(nèi)容。提出問題：對自然界的種群來說，這五個條件都成立嗎？舉例說明。學(xué)生看書討論，回答問題。閱讀課文，教學(xué)案探究有關(guān)種群、種群基因庫、種群基因頻率的概念及公式的建立和使用。學(xué)生進(jìn)一步推導(dǎo)已知基因型頻率求基因頻率公式。學(xué)生先進(jìn)行課文P115思考與討論的有關(guān)計(jì)算，回答有關(guān)問題。再進(jìn)行教學(xué)案中“用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的變化”的拓展計(jì)算學(xué)生閱讀，分組討論，完成有關(guān)計(jì)算，回答問題從已有認(rèn)知發(fā)現(xiàn)新問題，進(jìn)入種群是進(jìn)化的基本單位的學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在已經(jīng)了解遺傳變異的基礎(chǔ)上自主探究基因頻率的有關(guān)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法

7、討論問題的能力，體會假說演繹在此過程中的應(yīng)用。為引入遺傳平衡定律打下基礎(chǔ)。了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的方法，形成群體遺傳學(xué)概念，為深刻理解種群是進(jìn)化的基本單位打下基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容教師的組織和引導(dǎo)學(xué)生活動教學(xué)意圖6、 總結(jié)提高 作業(yè)布置提出問題：為什么說種群是進(jìn)化的基本單位？總結(jié)如下：1、個體可以死去，只要其中某些個體生殖，基因可以代代相傳。2、個體的有利突變基因只有通過在群體中進(jìn)行有性生殖，才有可能傳遞積累。3、個體的基因型是不變的，并且不會一成不變地傳給下一代個體，但是種群基因庫卻可以在繁殖的過程中維持相對的穩(wěn)定。自然選擇作用的是種群，本質(zhì)上是種群基因庫。4、如果一個個體不能與種群中其他個體交配產(chǎn)生后代，這

8、個個體在進(jìn)化上就沒意義。完成教學(xué)案中第一課時有關(guān)訓(xùn)練題，閱讀教學(xué)案中第二課時的拓展閱讀資料討論總結(jié)，交流。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)最后再一次總結(jié)提升，讓學(xué)生深入理解種群是生物進(jìn)化的基本單位的多重理由，有利于辯證思維能力的培養(yǎng)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)進(jìn)化論打下基礎(chǔ)。為下一課時的探究活動做準(zhǔn)備。第二課時教學(xué)內(nèi)容教師的組織和引導(dǎo)學(xué)生活動教學(xué)意圖導(dǎo)入新課二、突變和基因重組產(chǎn)生進(jìn)化的原材料復(fù)習(xí)提問：從上節(jié)大家已經(jīng)知道，種群是生物進(jìn)化的基本單位, 生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是種群基因頻率的改變, 那么影響種群基因頻率變化的根本原因是什么？教師結(jié)合學(xué)生的回答，不斷質(zhì)疑、啟發(fā)、引導(dǎo)。1、在三種可遺傳的變異來源中，基因突變和染色體變異可以統(tǒng)

9、稱為突變。突變和基因重組對于種群遺傳組成的改變一樣嗎？為什么？2分析突變與基因重組的關(guān)系。3在自然情況下，突變的頻率很低，且多數(shù)有害，對生物進(jìn)化有重要意義嗎？3.看課本P116的某海島上殘翅和無翅昆蟲的圖片及資料了解有利變異的標(biāo)準(zhǔn)是什么？學(xué)生回答引入：變異學(xué)生思考討論、總結(jié)發(fā)言學(xué)生看書、思考、相互交流鞏固知識，導(dǎo)入下一論點(diǎn)幫助學(xué)生把可遺傳變異的類型，特點(diǎn)、關(guān)系梳理清楚，了解有利變異的標(biāo)準(zhǔn)是：是否適應(yīng)環(huán)境的觀點(diǎn)。理解一起現(xiàn)象都是內(nèi)因與外因相互作用的結(jié)果。教學(xué)內(nèi)容教師的組織和引導(dǎo)學(xué)生活動教學(xué)意圖三、自然選擇決定生物進(jìn)化的方向四、作業(yè)設(shè)計(jì)1、對照教學(xué)案分組進(jìn)行“探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響”

10、的探究活動，教師巡回觀察指導(dǎo)、解答個別同學(xué)的疑問。2、匯總學(xué)生的探究結(jié)果和探究過程中存在的疑問。進(jìn)行解答釋疑。3、引導(dǎo)學(xué)生閱讀拓展中的進(jìn)化論發(fā)展史的重要環(huán)節(jié)介紹短文教學(xué)案有關(guān)練習(xí)及課后習(xí)題學(xué)生分組進(jìn)行閱讀、討論、計(jì)算、填表、回答問題匯報交流，提出探究過程中感到困惑的問題。閱讀、思考培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的能力，合作互助、大膽質(zhì)疑的精神。通過這段科學(xué)史的學(xué)習(xí)，體會假說演繹法貫穿在進(jìn)化論研究的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，形成生物進(jìn)化的正確觀點(diǎn)。認(rèn)識到科學(xué)的研究是講究實(shí)驗(yàn)證據(jù)的，是永無止境的。教學(xué)反思：這節(jié)內(nèi)容集中了現(xiàn)代生物進(jìn)化論的核心概念及思想方法，是對學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行科學(xué)探究能力的極好的訓(xùn)

11、練素材，也是對立統(tǒng)一觀點(diǎn)、辯證思維方法的集中體現(xiàn)。假說演繹法更是貫穿其中，如果不充分調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生自己動手動腦去親自探究體會，而是覺得課本的思考與討論的計(jì)算和探究的計(jì)算簡單而一帶而過，怕浪費(fèi)時間，怕麻煩。學(xué)生的能力很難提高，存在的問題也很難發(fā)現(xiàn)，這節(jié)課會一直是學(xué)生的難點(diǎn)。在教學(xué)中借助教學(xué)案補(bǔ)充了生物學(xué)史的內(nèi)容，特別是中介紹的過程與方法，學(xué)生很感興趣，也很受啟發(fā)。今后的教學(xué)中要更注重多收集資料，進(jìn)行必要的補(bǔ)充拓展。附件 教學(xué)案第7章 現(xiàn)代生物進(jìn)化理論第二節(jié) 現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的主要內(nèi)容一 種群基因頻率的變化與生物進(jìn)化第一課時探究活動1：情景：如果在灰色翅（基因型為aa）昆蟲的群體中偶然出

12、現(xiàn)一只綠色翅（Aa）的變異個體，且綠色比灰色更不容易被敵害發(fā)現(xiàn)。討論題目：1. 根據(jù)達(dá)爾文“適者生存、不適者淘汰”的觀點(diǎn)，該綠色個體能被選擇下來嗎？2.如果該綠色基因能很好的生活下來，他體內(nèi)的A基因怎樣才能傳遞給后代？探究活動2：閱讀教材114頁倒數(shù)第二段1.怎樣的一群個體可以稱為種群呢？2.一個生物的“種”或“物種”與種群又有什么區(qū)別呢？鞏固練習(xí)：1.下列屬于種群的是 A.一塊水田里的全部水稻 、水草 B一塊稻田里的全部幼蚜、有翅、無翅的成蚜 C一塊朽木上的全部真菌 D. 一個池塘中全部魚2.下列關(guān)于種群的說法不正確的是 A.同一種群的個體可以自由交配 B.種群是生物繁殖的基本單位C.中國大

13、陸上所有老虎是一個種群 D. 種群是生物進(jìn)化的基本單位3.生物進(jìn)化的基本單位 A. 個體 B. 基因 C. 種群 D. 群體探究活動3：1. 什么是基因庫？基因頻率的含義是什么？2. 基因頻率的計(jì)算某昆蟲種群中，綠色翅的基因?yàn)锳, 褐色翅的基因位a，調(diào)查發(fā)現(xiàn)AA、Aa、aa的個體分別占30%、60%、10%、那么A、a的基因頻率是多少？鞏固練習(xí)：4.下列關(guān)于基因庫的敘述，正確的是 A一個種群種一個個體所含有的全部基因叫做這個種群的基因庫B一個種群種全部個體所含有的顯性基因叫做這個種群的基因庫C一個種群種全部個個體所含有的全部基因叫做這個種群的基因庫D一個種群的基因庫會隨著種群中一代一代的死亡而

14、消減和滅亡5在一個種群種隨即抽取一定的數(shù)量的個體，其中AA、Aa、aa的個體分別占24%、72%、4%、那么A、a的基因頻率是多少？A.36%和64% B.57%和43% C.24%和72% D.60%和40%3. 用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的改變假設(shè)討論題2中昆蟲群體數(shù)量足夠大，全部的雌雄個體間都能自由交配并能產(chǎn)生后代，沒有遷入與遷出，AA、Aa、aa三種基因型昆蟲的生存能力完全相同（也就是說自然選擇對A、a控制的翅型性狀沒有作用），也沒有基因突變和染色體變異。（1） 計(jì)算子一代、子二代、子三代的基因頻率與基因型頻率子一代子二代子三代基因型頻率AAAaaa基因頻率AA（2）分析一下各代基因頻率與

15、基因型頻率相同嗎？（3）上述計(jì)算結(jié)果是在滿足五個假設(shè)條件的基礎(chǔ)上計(jì)算的，對自然界的種群來說，這五個條件都能成立嗎？特別是如果第點(diǎn)假設(shè)成立這與前面我們所學(xué)的基因突變的哪個特性相違背？4.拓展閱讀：遺傳平衡定律1、遺傳平衡定律,也稱哈代溫伯格定律(即Hardy-Weinberg定律)，是英國Hardy和德國Weinberg分別于1908年和1909年獨(dú)立證明的。主要內(nèi)容是：在一定條件下，群體的基因頻率和基因型頻率在一代又一代的繁殖傳代中保持不變。這條件是：(1)在一個很大的群體；(2)隨機(jī)婚配而非選擇性婚配；(3)沒有自然選擇；(4) 沒有突變發(fā)生；(5)沒有大規(guī)模遷移。 假設(shè)在一個理想的群體中，

16、某基因位點(diǎn)上的兩個等位基因 Y和y，若基因Y的頻率為 p，基因y的頻率為q，則pq=1，基因型YY的頻率為p2，基因型yy的頻率為 q2，基因型Yy的頻率為2pq，且p22pqq2 = 1。 2群體的遺傳平衡和等位基因頻率推算 由于人類群體中大多數(shù)遺傳性狀都處于遺傳平衡狀態(tài)，據(jù)此可計(jì)算等位基因頻率。如已知某種常染色體隱性遺傳?。ò谆。┰谝惶囟ㄈ巳褐蓄l率，就能計(jì)算這個異?；虻臄y帶者和基因頻率。白化病發(fā)?。╝a）(q2)的頻率為110000，即其基因型頻率，則致病基因（a）頻率=1/100=0.01；基因A的頻率10.01=0.99；而雜合子攜帶者的頻率為2pq=2991001100150。因

17、此，在比例中，每個受累的個體將有200個左右在臨床上無癥狀的攜帶者。 常染色體顯性遺傳病，如并指癥，在一個群體多為雜合子（Aa）發(fā)病。雜合子（H）的頻率為2pq，由于q值大，近于1，故H2p,p=1/2H。因此，只要知道雜合子發(fā)病率，就易求得基因A的頻率。如并指癥的發(fā)病率為11000，H12000，p=1/2H=1/4000,即致病基因A的頻率為0.。X連鎖遺傳性狀也符合遺傳平衡定律。因?yàn)榕灾械幕蝾l率及基因型頻率分布和常染色體相同，而男性是半合子，其基因頻率基因型頻率與表型頻率相同。至于罕見的常染色體隱性遺傳病純合子患者頻率（q2）很低，所以2pq=2(1-q)q=2q-1q2=2q，即雜

18、合子攜帶者頻率（2pq）約為致病基因頻率的2倍，故致病基因多以攜帶者的方式存在于一個群體中。在前述白化病中，發(fā)病率110000，q為0.01，攜帶者頻率約為2q，即20.01=0.02（150）練習(xí)1、在歐洲人群中，每2500人就有1人患囊性纖維變性，這是一種常染色體遺傳病。如果一對健康的夫婦生有一個患病的兒子，該女子離婚后又與另一健康男子再婚，則婚后他們生一患病男孩的概率是：A.1/25 B.1/100 C.1/200 D.1/6252、對某校學(xué)生進(jìn)行色盲遺傳病調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)：780名女生中有患者23人、攜帶者52人；820名男生中有患者65人，那么該群體中色盲基因的頻率是多少？3、在一個植

19、物種群中，AA個體占1/4，Aa個體占1/2，aa個體占1/4，aa個體在幼苗階段死亡，種群個體自由交配產(chǎn)生子代，求后代成熟植株中AA和aa個體所占比例為 四、哈迪-溫伯格定律的意義哈迪-溫伯格定律揭示了群體中基因頻率和基因型頻率的本質(zhì)關(guān)系，成為群體遺傳學(xué)研究的基礎(chǔ)。用基因頻率和基因型頻率描述群體的遺傳結(jié)構(gòu)，將平衡作為一個基準(zhǔn)，當(dāng)滿足哈迪-溫伯格定律的條件時，群體的遺傳結(jié)構(gòu)保持不變，生物群體才能“保持”群體遺傳特性的穩(wěn)定性。如果我們需要保持動物群體的遺傳特性，世代相傳，就應(yīng)創(chuàng)造條件，使基因頻率和基因型頻率不變。保護(hù)動物品種資源就需要這樣做。反之，我們想“改良”一個動物品種，讓群體的遺傳結(jié)構(gòu)改變

20、，就需打破平衡。同一群體內(nèi)的個體間遺傳差異主要是等位基因的差異，而同一物種內(nèi)，不同群體間遺傳差異主要是基因頻率的差異。哈迪-溫伯格定律也給“動物育種”提供啟示，要想提高群體生產(chǎn)水平，可通過選擇，增加有利基因的頻率。當(dāng)改變基因頻率的因素不存在時，基因頻率又因隨機(jī)交配而達(dá)到新的平衡。第二課時實(shí)驗(yàn)六 探究自然選擇對種群基因頻率變化的影響目的要求學(xué)會用數(shù)字化問題情境的方法探究自然選擇在生物進(jìn)化中的作用方案設(shè)計(jì)一、提出問題樺尺蠖種群中S基因（決定淺色性狀）的頻率為什么越來越低呢？二、猜想假設(shè)自然選擇使樺尺蠖種群基因頻率_向改變。三、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 1、創(chuàng)設(shè)數(shù)字化的問題情境2、計(jì)算以后210年的基因頻率完成圖表

21、3、調(diào)高環(huán)境選擇作用，使淺色個體每年減少的百分率提高，在此情況下重新計(jì)算，再完成圖表4、根據(jù)步驟“2、3”表中基因頻率數(shù)據(jù)得出結(jié)論實(shí)驗(yàn)過程一、材料用具計(jì)算器、記錄本等二、方法步驟和記錄 1、創(chuàng)設(shè)數(shù)字化情況：1870年，樺尺蠖種群基因頻率如下：SS 10%、Ss 20%、ss 70%，S基因頻率為_%。在樹干變黑的環(huán)境下，不利淺色樺尺蠖的生存，每年減少10%，黑樺尺蠖每年增加10%。2、計(jì)算210年間，SS、Ss、ss三種基因型個體的相對數(shù)量變化(取整數(shù))相對個體數(shù) 年份基因型12345678910SS1011Ss2022ss7063誤區(qū)警示每年的種群個數(shù)總數(shù)是變化的，所以計(jì)算式的分母并非總是2

22、00，應(yīng)當(dāng)用個體相對數(shù)量表中的當(dāng)年總數(shù)代入公式。3、計(jì)算SS、Ss、ss基因型頻率及S、s基因頻率（1）基因型頻率 = 100%（2）S基因頻率 = 100%（3）s基因頻率 = 1S基因頻率三、現(xiàn)象觀察將計(jì)算結(jié)果記錄到下表(保留小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù))頻率 年份基因型12345678910基因型頻率SS10%Ss20%ss70%基因頻率S20%S80%四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論自然選擇使樺尺蠖種群中基因頻率_改變。五、實(shí)驗(yàn)評價計(jì)算結(jié)果，是否支持你作出的假設(shè) 問題探究一、問題思考 1、樹干變黑會影響樺尺蠖種群中淺色個體的出生率嗎？為什么？2、在自然選擇中，直接受選擇的是基因型還是表現(xiàn)型？為什么？二、探究創(chuàng)新探究使用

23、農(nóng)藥對害蟲抗藥基因頻率的影響鞏固練習(xí)1.濫用抗生素往往會導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。 (1)細(xì)菌抗藥性變異的來源屬于 。(2)盡管在細(xì)菌菌群中天然存在抗藥性基因，但是使用抗生素仍可治療由細(xì)菌引起的感染，原因在于菌群中 。(3)細(xì)菌耐藥性的形成是抗生素對細(xì)菌進(jìn)行 的結(jié)果，其內(nèi)在實(shí)質(zhì)是 。 (4)在抗生素的作用下，細(xì)菌往往只要一到兩代就可以得到抗性純系。而有性生殖的生物，淘汰一個原來頻率較低的隱性基因，形成顯性純合子組成的種群的過程卻需要很多代，原因是 。2. 、生物進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是種群基因頻率的改變，其中影響種群基因頻率的因素有很多，如自然選擇、基因突變、基因重組、遺傳漂變、生物個體的遷入和遷出等。某中學(xué)

24、生物研究小組為探究人工選擇對種群基因頻率是否有影響時，選用了純種長翅果蠅和殘翅果蠅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。已知果蠅的長翅（B）對殘翅（b）為顯性，基因位于常染色體上。他們的實(shí)驗(yàn)過程如下： 選擇一只純種雄性長翅果蠅與一只雌性果蠅進(jìn)行雜交，獲得子一代雌雄果蠅； 讓子一代果蠅連續(xù)自由交配5次，同時在每一代中都要除去殘翅果蠅； 當(dāng)子六代所有長翅果蠅自由交配后，統(tǒng)計(jì)子七代中長翅果蠅和殘翅果蠅在種群的百分比； 根據(jù)殘翅果蠅的百分比計(jì)算出B、b基因在種群中的基因頻率，得出結(jié)論。請分析回答： 該實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)是否科學(xué)？請說出你的理由。_ 若讓你對此實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行改進(jìn)，請?jiān)O(shè)計(jì)出改進(jìn)后的步驟：選擇一只純種雄性長翅果蠅與一只雌性殘

25、翅果蠅進(jìn)行雜交，獲得子一代雌雄果蠅；_ 請預(yù)期這種人工選擇對種群基因頻率的影響：_【拓展閱讀】 方舟子 原載科學(xué)世界2002年第11期 如果我們一定要給生物學(xué)找一個生日的話，可以把它定在1859年11月24日。在那一天，達(dá)爾文經(jīng)20年小心謹(jǐn)慎的準(zhǔn)備，出版了物種起源。從此生物學(xué)的研究與超自然因素斷絕了一切關(guān)系，而成為一門真正的科學(xué)。這本偉大的著作包含著兩個主題：首先，它試圖證明一個事實(shí)，即所有的生物都是由其他生物進(jìn)化而來的，而且都來自共同祖先；其次，它試圖證明一個機(jī)理，即自然選擇是生物進(jìn)化的最主要方式。有關(guān)生物進(jìn)化的證據(jù)是如此的眾多和確鑿，到達(dá)爾文逝世時（1882年），他的“共同祖先學(xué)說”基本上

26、已被生物學(xué)家們所一致接受。但是他的“自然選擇學(xué)說”的命運(yùn)卻完全不同。在他的生前和逝世后相當(dāng)長一段時間內(nèi)都只有少數(shù)生物學(xué)家接受自然選擇學(xué)說，而多數(shù)生物學(xué)家雖然接受生物進(jìn)化的事實(shí)，卻寧愿用后天獲得性遺傳或巨突變等其他現(xiàn)在已知是錯誤的機(jī)理解釋這個事實(shí)。直到1950年代，自然選擇學(xué)說才被學(xué)術(shù)界所普遍接受，這時候距離達(dá)爾文提出這個學(xué)說已近百年。為什么自然選擇學(xué)說這個現(xiàn)代生物學(xué)最重要的理論之一的命運(yùn)如此坎坷？ 一個重要因素是，達(dá)爾文找不到一個合理的遺傳理論來解釋自然選擇。事實(shí)上，這個遺傳理論早在1865年就已經(jīng)由一位奧地利修道士孟德爾發(fā)現(xiàn)，但是卻被學(xué)術(shù)界完全忽略了。具有諷刺意味的是，當(dāng)孟德爾遺傳定律在19

27、00年被重新發(fā)現(xiàn)時，遺傳學(xué)家們卻認(rèn)為它宣告了自然選擇學(xué)說的死亡，因?yàn)樵谒麄兛磥?，該定律是和自然選擇不相容的。過了大約20年，英國人費(fèi)歇（R.A.Fisher）、荷爾登（J.B.S.Haldane）和美國人萊特（S.G.Wright）才開始用數(shù)學(xué)方法，從理論上證明了孟德爾遺傳學(xué)和達(dá)爾文進(jìn)化論不僅不相沖突，而且恰恰是達(dá)爾文夢寐以求的遺傳學(xué)！在30年代，從俄國移民的美國遺傳學(xué)家杜布贊斯基（T.Dobzhansky）以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料，證實(shí)了這些理論證明，在理論上和實(shí)驗(yàn)上統(tǒng)一了達(dá)爾文主義和孟德爾主義，激發(fā)了各個領(lǐng)域的生物學(xué)家都共同研究這一問題，最終導(dǎo)致了達(dá)爾文主義成了生物學(xué)的主流。 自然選擇學(xué)說長期被忽

28、視的另一個原因是，達(dá)爾文沒能為之提供直接的證據(jù)。他根據(jù)的是邏輯推理和一些間接證據(jù)，在理論上固然無懈可擊，但是人們總會懷疑：這是不是實(shí)際發(fā)生的？在達(dá)爾文看來，自然選擇是一個極其緩慢的過程，因此人們是不可能直接觀察到它的作用的。達(dá)爾文家鄉(xiāng)一種叫做樺尺蛾的蛾子將證明達(dá)爾文在這一點(diǎn)上過于悲觀了。 樺尺蛾在英文中被稱做“斑點(diǎn)蛾”，之所以這么叫是因?yàn)樵?9世紀(jì)中葉之前采集到的這種蛾的種類都是淺灰色的翅膀上散布著一些斑點(diǎn)。在1848年，昆蟲學(xué)家首次在工業(yè)城市曼徹斯特附近采集到了黑色翅膀的樺尺蛾標(biāo)本。之后，采集到的黑蛾標(biāo)本越來越多，而且都集中在空氣污染嚴(yán)重的工業(yè)化地區(qū)。到1895年，曼徹斯特附近的黑蛾所占的比

29、例激增到接近100，而在非工業(yè)化地區(qū)，灰斑蛾仍然占絕對優(yōu)勢。在1896年，塔特（J.W.Tutt）首先提出這種“工業(yè)黑化”現(xiàn)象可能是由于鳥類不容易發(fā)現(xiàn)、捕食停在覆蓋著煤煙的樹干上的黑蛾，而灰斑蛾更容易被捕食導(dǎo)致的。在1920年代，荷爾登為此進(jìn)行了定量計(jì)算。他假設(shè)在1848年，曼徹斯特一帶黑蛾的比例只有1，而經(jīng)過53代后，到了1901年，黑蛾比例則幾乎達(dá)到100。他計(jì)算出，這個自然選擇過要能發(fā)生，平均每一代黑蛾和灰斑蛾后代的生存比例必須是1.5。 在荷爾登做出這個預(yù)測的同時，英國昆蟲學(xué)家哈里森（J.W.HeslopHarrion）首先對樺尺蛾進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，試圖找出樺尺蛾黑化的原因。他用沾了煤

30、煙成分的樹葉喂養(yǎng)樺尺蛾的幼蟲。例如，在一個實(shí)驗(yàn)中，他用沾了硝酸鉛的樹葉喂養(yǎng)從非工業(yè)化區(qū)抓來的幼蟲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些幼蟲中，有3只后來變成了黑蛾，此外還有53只變成灰斑蛾。而做為對照，喂養(yǎng)干凈的樹葉的幼蟲則全部變成了灰斑蛾。哈里森因此得出結(jié)論說，樺尺蛾的黑化是由于污染物誘發(fā)了基因突變。由于這些黑蛾的后代也繼承了黑色翅膀，他認(rèn)為這是后天獲得性能夠遺傳的確鑿證據(jù)。 后來有人重復(fù)了哈里森的實(shí)驗(yàn)，卻沒能得到相同的結(jié)果。在當(dāng)時，哈里森所相信的拉馬克主義已經(jīng)逐漸失勢，達(dá)爾文主義開始抬頭。因此，一些達(dá)爾文主義者質(zhì)疑哈里森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和解釋，其中包括英國遺傳學(xué)家福特（E.B.Ford）。福特認(rèn)為，黑蛾變異并不是被煤煙

31、成分誘發(fā)的，而是隨機(jī)產(chǎn)生的。在樺尺蛾群體中，隨機(jī)的基因突變總能產(chǎn)生極少數(shù)黑蛾，在非工業(yè)化地區(qū)，這些黑蛾將很快被自然選擇淘汰。但是在污染地區(qū)，黑化卻有生存優(yōu)勢，因此迅速傳播開去。 福特僅僅是提出了一種解釋，并沒有做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。他的解釋沒能回答這個重要的問題：黑化究竟有什么生存優(yōu)勢？是像塔特在以前所說的那樣是一種偽裝，還是由于其他無關(guān)的生理優(yōu)勢和黑化基因連鎖在一起？鳥類是否真的能夠區(qū)分黑蛾和灰斑蛾？在1951年，另一位英國生物學(xué)家凱特威爾（H.B.D.Kettlewell）開始做一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個解釋。 凱特威爾是劍橋大學(xué)的畢業(yè)生，同時學(xué)習(xí)動物學(xué)和醫(yī)學(xué)。大學(xué)畢業(yè)后，他當(dāng)起了醫(yī)生。在第二次世界大戰(zhàn)

32、之后，英國將醫(yī)療系統(tǒng)國有化，凱特威爾對此難以接受，于1949年停止行醫(yī)，到南非研究蝗蟲治理，不久回到英國，去牛津大學(xué)的福特實(shí)驗(yàn)室工作。福特實(shí)驗(yàn)室研究的是一個新領(lǐng)域“生態(tài)遺傳學(xué)”。和一般的遺傳學(xué)家不同，他們不在實(shí)驗(yàn)室或農(nóng)田里做實(shí)驗(yàn)，而是強(qiáng)調(diào)野外觀察的重要性，但和博物學(xué)家不同的是，他們在野外做實(shí)驗(yàn)，并且用統(tǒng)計(jì)方法分析野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 生態(tài)遺傳學(xué)以自然選擇學(xué)說為核心。自然選擇的出發(fā)點(diǎn)，是為了解釋生物適應(yīng)性的由來。凱特威爾相信樺尺蛾翅膀的顏色，就是樺尺蛾對環(huán)境的一種適應(yīng)性。樺尺蛾的雌蛾很少飛翔，有的一生都生活在一根樹干上。雄蛾夜晚飛行，白天也停留在樹干上。樺尺蛾停在樹干上時，翅膀是張開的，我們不難設(shè)想，

33、翅膀應(yīng)該起到某種偽裝作用，才能避免被天敵（鳥類）捕食。在非工業(yè)化地區(qū)的森林中，樹干長滿苔蘚，長著灰色斑點(diǎn)的翅膀在這種樹干上，不容易被發(fā)現(xiàn)，而黑色翅膀則容易被發(fā)現(xiàn)。在工業(yè)化地區(qū)，樹干上的苔蘚被黑色的煤煙取代了，情形恰好相反，灰斑蛾容易被天敵發(fā)現(xiàn)，而黑蛾不容易。適應(yīng)：不同顏色的斑點(diǎn)蛾在不同的環(huán)境里 這個假說合情合理，但是實(shí)際情形是否如此？凱特威爾首先必須用實(shí)驗(yàn)回答的問題是：鳥類是否能夠分辨不同顏色翅膀的蛾？凱特威爾找到了一個巨大的戶外鳥舍，里面種的樹的樹干顏色有深有淺。他在鳥舍中釋放了同等數(shù)目的灰斑蛾和黑蛾，然后放出一對食蟲鳥類。在起初兩個小時，鳥不知道去捕食蛾。但是一旦它們學(xué)會了辨認(rèn)蛾，它們就開

34、始積極地捕捉那些顯眼的蛾。不顯眼的蛾則較為安全，偶爾也會遭到捕食，特別是那些停在顯眼的蛾附近的。 凱特威爾從這個實(shí)驗(yàn)得出兩個結(jié)論：鳥類捕食蛾類是一種需要經(jīng)過學(xué)習(xí)的行為，蛾的翅膀則起到了避免被捕食的偽裝作用。但是一些鳥類學(xué)家和昆蟲學(xué)家都對后一個結(jié)論表示懷疑。凱特威爾向在牛津大學(xué)做研究的荷蘭生物學(xué)家廷伯根（NikoTinbergen）求助。廷伯根以研究動物行為聞名，后來在1973年獲得諾貝爾獎。他拍攝了鳥類捕食樺尺蛾的照片和電影，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)論說，在同一根樹干上，顯眼蛾被捕食的幾率高出不顯眼蛾達(dá)三倍。這就有力地支持了凱特威爾的假設(shè)。 但是凱特威爾用于做實(shí)驗(yàn)的鳥舍雖然巨大，畢竟不是自然生態(tài)。人

35、們會懷疑他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在人為條件下的假象。為了回應(yīng)這個疑問，凱特威爾在1952年開始在受工業(yè)污染嚴(yán)重的伯明翰地區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)。他將大量的灰斑蛾和黑蛾做了標(biāo)記（在翅膀背面涂上記號），然后釋放。由于雌蛾很少飛翔，他只用雄蛾做實(shí)驗(yàn)。一周后，他開始在晚上用汞汽燈和未交配的雌蛾做為誘餌，捕捉雄蛾，連續(xù)持續(xù)了多個晚上。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，重新捕獲的黑蛾的比例，大約是重新捕獲的灰斑蛾的兩倍，凱特威爾認(rèn)為那些失蹤的蛾是被鳥類捕食了，這表明在工業(yè)污染地區(qū)，黑蛾的生存機(jī)會是灰斑蛾的兩倍。這個數(shù)字很接近30年前荷爾丹的計(jì)算結(jié)果。 凱特威爾發(fā)表了這個結(jié)果，卻仍然沒能完全消除人們的懷疑。這個野外實(shí)驗(yàn)缺乏一個適當(dāng)?shù)膶φ?。人們?/p>

36、以爭辯說，重新捕獲的黑蛾的比例高于灰斑蛾，是由于其他因素導(dǎo)致的，例如，黑蛾比灰斑蛾更容易被汞汽燈或雌蛾所吸引，灰斑蛾比黑蛾更傾向于遷移到外地，或者其他與偽裝無關(guān)的因素導(dǎo)致灰斑蛾生存機(jī)會較低。幾個月后，凱特威爾做了一個對照實(shí)驗(yàn)，排除了所有這些可能性。這一次，他到未受污染的多塞特地區(qū)重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與上一次恰恰相反，重新捕獲的灰斑蛾的比例，大約是重新捕獲的黑蛾的兩倍，也就是說，在未受污染的地區(qū)，灰斑蛾的生存機(jī)會是黑蛾的兩倍。兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果合起來，雄辯地證明了影響樺尺蛾野外生存機(jī)會的因素，是其翅膀顏色的偽裝能力。 凱特威爾的實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)史上有深遠(yuǎn)的影響。許多人認(rèn)為，進(jìn)化生物學(xué)的假設(shè)是無法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。

37、凱特威爾的實(shí)驗(yàn)說明了這種觀點(diǎn)是多么的錯誤。進(jìn)化論是可以用于預(yù)測，也可以用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證的。從那以后，受凱特威爾實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，許多生物學(xué)家對多種物種進(jìn)行自然選擇實(shí)驗(yàn)，取得了豐碩的成果。英國蛾子變黑的故事，也做為自然選擇最直接、最有力的證據(jù)之一，寫入了中學(xué)生物教科書，而盡人皆知。但是最近美國作家朱迪斯胡普（JudithHooper）出版了人蛾之間（OfMothsandMen，題目顯然模仿斯坦貝克的名著人鼠之間）一書，卻對此提出了系統(tǒng)的質(zhì)疑。在該書出版前夕，紐約時報于6月18日刊登了一篇題為“進(jìn)化論教學(xué)的常用例子可能不是教科書范例”的報道，介紹了人蛾之間一書的內(nèi)容、神創(chuàng)論者的歡呼和生物學(xué)家的反駁，指出“

38、神創(chuàng)論者高興得太早”。*功官方網(wǎng)站立即對紐約時報的報道進(jìn)行了細(xì)心的加工，剔除生物學(xué)家的反駁內(nèi)容，拼湊出一篇教科書上的進(jìn)化論例證遭質(zhì)疑灰斑蛾與黑蛾的宣傳文章在網(wǎng)上傳播，聲稱“這個現(xiàn)代進(jìn)化論最引以為榮的灰斑蛾和黑蛾的例子也是陰影重重”、“也許將來人們最莫明其妙的是這樣一個漏洞百出的假說是如何登堂入室的了?！笔聦?shí)又是如何呢？ 人蛾之間一書集中攻擊凱特威爾實(shí)驗(yàn)，懷疑凱特威爾為了討好其脾氣古怪的上司福特而編造數(shù)據(jù)。事實(shí)上，這種懷疑是不能讓人信服的，并沒有證據(jù)表明凱特威爾造假，反而有旁證證明凱特威爾誠實(shí)地報告其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。凱特威爾相信樺尺蛾能夠根據(jù)翅膀的顏色而選擇停留位置的背景顏色，也就是說，黑蛾將傾向于停在黑色背景，灰斑蛾將傾向于淺色背景。為了證明這個假說，他做了一個小型的實(shí)驗(yàn)。他在一個大木桶中排列一些黑布條和白布條，然后在晚上將一些樺尺蛾釋放到桶中，蓋上玻璃。第二天早上他分別統(tǒng)計(jì)兩類蛾的停留位置，得到如下結(jié)果：黑蛾有38只停在黑布上，21只停在