高中生物人教版 (2019)必修2《遗传与进化》第1节 生物有共同祖先的证据学案及答案

第6章  生物的进化

解读章首图文

培养学习志向·勇担社会责任

章引言的第一段从达尔文提出生物进化论开始，指出这一理论虽然轰动世界，但并未解决关于生物进化的所有问题。接着介绍达尔文在提出进化论之后研究兰花的进化，对兰花多种多样的适应性结构既惊叹好奇又困惑不解，并且指出在达尔文之后这个问题成为百年难解之谜，造成同学们的惊奇感和困顿感，以此烘托探幽入微的氛围。

引言第二段宛如一道冲破云雾的阳光，从19世纪达尔文的困境倏然穿越到21世纪中国科学家的创新发现：“2017年，我国科学家以深圳拟兰为重点研究对象，通过基因组的测序和功能分析，发现兰花有474个特有基因家族……”介绍我国科学家如何从基因水平解开兰花进化之谜，从而进一步激发同学们的好奇心，为接下来提出“生物的多样性和适应性是怎样形成的？这与基因的变化有关吗？”等问题作铺垫，同时也自然而然地反映我国科技新成就，提升同学们对国家和民族的自豪感。

引言第三段在上述情境基础上，提出了本章要研究的中心问题，并且指出关于生物进化的解释一直存在各种理论的交锋，正是在各种理论的交锋中，进化理论本身也在“进化”，以此来提升同学们对科学本质的认识。

章题图是“贝格尔”号舰在一片苍茫的海上航行的画面，寓意正如图中题诗所说，当年达尔文所乘的“贝格尔”号舰虽然远逝，进化论的航程却远未终止；研究生物的进化既非易事，同时又有无穷魅力。

理清本章架构

初识概念体系·具备系统思维

第1、2节　生物有共同祖先的证据　自然选择与适应的形成

【主干知识梳理】

一、达尔文的生物进化论

二、地层中陈列的证据——化石

1．化石的概念

化石是指通过自然作用保存在地层中的古代生物的遗体、遗物或生活痕迹等。化石是研究生物进化最直接、最重要的证据。

2．化石的作用

利用化石可以确定地球上曾经生活过的生物的种类及其形态、结构、行为等特征。

3．化石证据证实的问题

(1)大量化石证据证实了生物是由原始的共同祖先经过漫长的地质年代逐渐进化而来的。

(2)大量化石证据还揭示出生物由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生的进化顺序。

三、当今生物体上进化的印迹——其他方面的证据

1．比较解剖学证据

研究比较脊椎动物的器官、系统的形态和结构，可以为这些生物是否有共同祖先寻找证据。

2．胚胎学证据

(1)胚胎学的概念：研究动植物胚胎的形成和发育过程的学科。

(2)脊椎动物在胚胎发育早期都有彼此相似的阶段，这个证据支持了人和其他脊椎动物有共同祖先的观点。

3．细胞和分子水平的证据

(1)当今生物有许多共同的特征，比如都有能进行代谢、生长和增殖的细胞，细胞有共同的物质基础和结构基础等，这是对生物有共同祖先这一论点的有力支持。

(2)不同生物的DNA和蛋白质等生物大分子的共同点，提示人们当今生物有着共同的原始祖先，其差异的大小则揭示了当今生物种类亲缘关系的远近，以及它们在进化史上出现的顺序。

四、自然选择与适应的形成

1．适应的普遍性和相对性

(1)适应的含义：生物的形态结构适合于完成一定的功能，生物的形态结构及其功能适合于该生物在一定的环境中生存和繁殖。

(2)适应具有普遍性和相对性。

2．适应是自然选择的结果

(1)拉马克的进化学说

①当今所有的生物都是由更古老的生物进化来的。

②各种生物的适应性特征并不是自古以来就如此的，而是在进化过程中逐渐形成的。

③适应的形成是由于用进废退和获得性遗传。

(2)达尔文的自然选择学说

①主要内容

②意义：揭示了生物界的统一性是由于所有的生物都有共同祖先，而生物的多样性和适应性是进化的结果。

(3)达尔文以后进化理论的发展

①关于遗传和变异的研究，已经从性状水平深入基因水平，人们逐渐认识到了遗传和变异的本质。

②关于适应以及物种的形成等问题的研究，已经从以生物个体为单位，发展到以种群为基本单位。

③形成了以自然选择为核心的现代生物进化理论。

【教材微点发掘】

1．下图表示三种脊椎动物的前肢和人的上肢骨骼比较的示意图(教材第102页图63)，据图回答有关问题：

(1)蝙蝠的翼、鲸的鳍、猫的前肢与人的上肢骨骼相比，在结构上有相似之处，而且排列顺序也基本一致，这说明了生物之间存在一定的亲缘关系，它们可能都是由共同的原始祖先进化而来的。

(2)这四种前(上)肢内部结构模式非常一致，但功能迥异，外形差别也很大，这说明了结构与功能相适应，也体现了生物适应环境的特点。

2．如图表示长期使用一种农药后，害虫种群密度的变化情况，请利用达尔文的进化论观点分析回答下列问题：

(1)a点使用农药之前，害虫种群中存在很多种变异类型，说明变异是不定向的。

(2)使用农药后，大量害虫被杀死，但是还有部分存活，这是自然选择的结果。

(3)分析bc段曲线上升的原因是使用农药后，抗药性弱的害虫被杀死，抗药性强的害虫存活下来，这样经过农药的长期选择，使得害虫抗药性逐渐加强。

(4)该过程中，农药诱发了害虫基因突变还是对害虫的变异进行了选择？

提示：农药对害虫的抗药性变异进行定向选择，使害虫的抗药性个体逐渐增加。

 教材问题提示

第1节

(一)思考·讨论1(教材第101页)

1．图62所示资料支持达尔文的共同由来学说。不同地层的形成年代不同，越早形成的地层中首次出现的生物越低等，生物特征越简单；越晚形成的地层中首次出现的生物越高等，生物特征越复杂。

2．基于化石证据可判断赫氏近鸟龙既具有恐龙的特征，也具有鸟类的特征，属于恐龙与鸟类间的过渡类型，这说明鸟类很可能是由恐龙进化来的。

3．露西既有现代人类的特征，也有黑猩猩的特征，说明人和黑猩猩可能有共同的祖先，都起源于一类森林古猿。

(二)思考·讨论2(教材第102页)

1．都有肱骨、桡骨、尺骨、腕骨、掌骨和指骨，其种类有一致性。

2．排列顺序一致。

3．这四种前(上)肢骨骼有相同的起源，说明它们可能是由共同的祖先进化来的。在漫长的进化过程中，因为适应不同的环境，逐渐出现了形态和功能的不同。

4．不同类群动物的骨骼结构具有许多共同点(具体比较略)，支持现有的脊椎动物有着共同原始祖先的观点。

(三)思考·讨论3(教材第103页)

1．都有细胞壁、细胞膜、细胞质、核糖体和DNA。地球上现存的古细菌与最古老的古细菌有相同的细胞结构模式，说明二者有共同的祖先。

2．都有呼吸作用，代谢中的酶类非常相似，都有相同的能量“货币”——ATP，绿色植物能进行光合作用，等等。

3．说明人和猩猩、长臂猿、黑猩猩等类人猿可能有共同的祖先。

4．人和其他生物的细胞中普遍含有细胞色素c，说明这些生物都有共同的祖先。细胞色素c的氨基酸序列差异的大小揭示了不同生物之间亲缘关系的远近，差异越小，表明亲缘关系越近。

第2节

(一)思考·讨论1(教材第106页)

1．枯叶蝶的天敌有捕食性鸟类、步甲、土蜂、胡蜂、猎蝽、青蛙、蟾蜍等。枯叶蝶不能完全免于天敌的捕食。

2．有局限性。例如，如果降雪延迟，已经换成一身白色羽毛的雷鸟反而容易被天敌发现。

3．适应性特征来自遗传，即来源于可遗传的有利变异的逐代积累，是对之前的环境适应的结果。由于环境总是处于不断变化之中，遗传的稳定性与环境不断变化之间的矛盾是适应相对性的根本原因。

(二)批判性思维1(教材第107页)

例如，人用眼过度，视力反而下降。健美运动员的后代，如果不进行专业训练，也不会拥有健美运动员那样发达的肌肉和健壮的体格。

(三)思考·讨论2(教材第108页)

1．容易吃到高处的树叶，留下后代的机会多。

2．逐渐增加。

3．能。

4．在一定环境的选择作用下，可遗传的有利变异会赋予某些个体生存和繁殖的优势，经过代代繁殖，群体中这样的个体就会越来越多，有利变异通过逐代积累而成为显著的适应性特征。

(四)批判性思维2(教材第108页)

这种观点有一定的道理。不过，“适者生存”的原意也包含有更多的机会繁殖后代，不改也是可以的。

(五)思考·讨论3(教材第109页)

1．在西方国家，当时“神创论”和“物种不变论”占统治地位，人们普遍认为所有的物种都是神创造的，自古以来既没有物种的绝灭，也没有新物种的产生。

达尔文认为所有的生物都是由原始的共同祖先进化来的，生物界通过自然选择不断进化，这一观点否定了“神创论”，不能为当时的宗教观念所容，因此，遭到许多人的攻击、谩骂和讥讽。

2．激励国人奋发图强，使中华民族能够立于世界民族之林。

3．马克思在这封信中所说的“我们的观点”是指辩证唯物主义观点。

4．人类与其他生物有着共同的祖先。人类是大自然的一员，而不是凌驾于其他物种之上的“主宰”。

新知探究(一)　生物有共同祖先的证据

【探究·深化】

[问题驱动]　

如图1分别为人和其他脊椎动物不同时期胚胎的比较，图2是人的上肢和其他动物的前肢骨骼的比较。请思考下列问题：

(1)根据图1可以看出，人和其他脊椎动物在胚胎发育初期，不仅外形像鱼，而且在结构上都有鳃裂和尾，这说明了什么？到了胚胎发育晚期，除鱼之外，人和其他脊椎动物的鳃裂都消失了，人的尾也消失了，这又说明了什么？

提示：人和其他脊椎动物的胚胎发育初期在结构组成方面相同，这说明这些生物是由共同原始祖先进化而来的；胚胎发育晚期，人和其他脊椎动物在形态方面不一样，又说明这些生物在不同的环境中向着不同方向进化。

(2)根据图2观察，人的上肢、猫的前肢、鲸的胸鳍和蝙蝠的翼手，它们在结构组成方面相同吗，这说明了什么？它们在形态方面一样吗，这又说明了什么？

提示：在结构组成方面相同，这说明这些生物都起源于一个共同的原始祖先，并且它们的共同原始祖先生活在水中。在形态方面不一样，这说明在进化过程中，为适应不同的生活环境，几种生物的器官逐渐出现了形态和功能上的不同。

[重难点拨]　

1．化石在研究生物进化中的应用

2．当今生物体上进化的印迹——其他方面的证据

【典题·例析】

[典例1]　在没有被破坏的地层中，有关化石分布情况的叙述，错误的是(　　)

A．古老地层中的生物化石简单、低等

B．在极古老的地层中也可找到高等生物化石

C．新近地层中的生物化石复杂、高等

D．新近地层中也可找到低等生物化石

[解析]　大量化石证据揭示出生物由简单到复杂，由低等到高等，由水生到陆生的进化顺序。因此，在没有被破坏的地层中化石的分布规律是在古老地层中生物化石简单、低等，不会存在高等生物化石；在新近地层中生物化石复杂、高等，但也能找到低等生物化石。故选B。

[答案]　B

[典例2]　下列有关进化证据的叙述，错误的是(　　)

①从始祖马到现代马的进化过程中，古生物化石提供了最直接的证据

②从鲸、龟、蝙蝠等动物的前肢骨骼的适应性分化中，依稀可见痕迹器官的存在

③从鱼类、鸟类、哺乳类动物的早期胚胎中均有鳃裂这一事实中，得到比较解剖学上的证据

④从比较真核细胞内的细胞色素c中氨基酸序列的差异性大小，推测生物之间的亲缘关系远近

A．①②　　　　　　　 B．②③

C．①④  D．③④

[解析]　生物化石是进化过程中最直接的证据，①正确；鲸、龟、蝙蝠等动物的前肢骨骼属于同源器官，不是痕迹器官，②错误；鱼类、鸟类、哺乳类动物的早期胚胎中均有鳃裂是胚胎学证据，而不是比较解剖学证据，③错误；比较真核细胞内的细胞色素c中氨基酸序列的差异性大小，可以推测生物之间的亲缘关系，④正确。故选B。

[答案]　B

归纳拓展—————————————————————————————————

辨析化石的种类

(1)遗体化石：指古生物遗体本身几乎全部或部分保存下来的化石。

(2)遗迹化石：是古生物活动或存在过的痕迹的化石，其中最主要的是足迹。

(3)遗物化石：是指古代动物的粪便、卵(蛋)以及人类祖先使用的工具等。

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【应用·体验】

1．生物进化最可靠的证据是(　　)

A．各类生物化石在地层里按一定的顺序出现

B．哺乳动物在胚胎发育初期非常相似

C．脊椎动物具有结构相似的器官

D．生物都能适应一定的环境

解析：答案：A　研究生物进化最直接、最可靠的证据是化石，因为化石是保存在地层中的古代生物的遗体、遗物或生活痕迹等，各类生物的化石在地层中的出现是有一定顺序的。故选A。

2．下列不属于生物进化的比较解剖学和胚胎学证据的是(　　)

A．高等动物胚胎发育始于受精卵，说明了高等动物起源于单细胞

B．胚胎发育早期阶段有鳃裂，说明古代脊椎动物原始祖先生活在水中

C．人胚胎发育早期有尾，说明人是从有尾动物进化来的

D．化石证据揭示了生物进化遵循由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生的进化顺序

解析：答案：D　化石证据不属于比较解剖学和胚胎学证据。

新知探究(二)　自然选择与适应的形成

【探究·深化】

[问题驱动]　

下图是长颈鹿的进化过程图，据图分析：

(1)请利用拉马克的观点解释长颈鹿脖子长的原因。

提示：长颈鹿主要以树叶为食，要想获得足够的食物就需天天伸长脖子去取食高处的树叶，由于“用进废退”，从而形成了现在的长颈鹿。

(2)结合变异知识，思考：环境引起的性状改变一定能遗传给后代吗？

提示：不一定。只有环境改变导致了遗传物质改变进而引起的性状改变，才能遗传给后代。

(3)与拉马克相比，达尔文认为生物进化的关键是什么？

提示：他改变了拉马克过分强调用进废退即“生物内在的自我改进的力量”的观点，而是强调自然选择的作用。

(4)雄鹿往往用鹿角作为争夺配偶的武器。按照达尔文的观点，试讨论并解释现在雄鹿鹿角发达的原因。

提示：按照达尔文的观点，雄鹿的鹿角存在着发达和不发达的变异，雄鹿之间为争夺配偶要进行生存斗争，生存斗争过程中，有发达鹿角的个体能够得到配偶并把这种变异遗传给后代，没有发达鹿角的个体因争夺不到配偶，其变异就不会遗传给后代。经过一代代的进化，使现在的雄鹿鹿角较为发达。

[重难点拨]　

1．适应的普遍性和相对性

2．对达尔文的自然选择学说的理解

(1)内容：过度繁殖、生存斗争、遗传变异和适者生存。

(2)关系图解

①过度繁殖为自然选择提供了更多的选择材料，加剧了生存斗争。

②生物进化是通过生存斗争来实现的，生存斗争是生物进化的动力。

③生物的变异是不定向的，具有有利变异的个体在生存斗争中易取得胜利而得以生存，有利变异通过遗传得以累积和加强，产生适应环境的新类型。

④适者生存是自然选择的结果。

3．达尔文自然选择学说与拉马克进化学说的比较

【典题·例析】

[典例1]　用达尔文自然选择学说的观点进行判断，下列叙述正确的是(　　)

A．长颈鹿经常伸长脖子和前肢去吃树上的叶子，因此颈和前肢变得很长

B．北极熊生活在冰天雪地的环境中，它们的身体就产生了定向的白色变异

C．野兔的保护色和鹰锐利的目光是它们长期相互选择的结果

D．在长期有毒农药的作用下，农田害虫产生抗药性

[解析]　A项所述属于用进废退、获得性遗传，是拉马克进化学说的观点，A错误；变异是不定向的，自然选择是定向的，B错误；野兔的保护色和鹰锐利的目光是它们在长期的生存斗争和相互选择中形成的，C正确；害虫的抗药性是农药对害虫的不定向变异选择的结果，而不是农药长期作用的结果，D错误。

[答案]　C

[典例2]　下列事实中对达尔文的进化理论具有挑战性的是(　　)

A．在经常刮大风的海岛上，生活着大批无翅的昆虫

B．人类长期使用杀虫剂，不但没有消灭害虫，反而使害虫的抗药性越来越强

C．某地区寒武纪地层中，突然出现大量新物种的化石，而这些物种的形成大约只用了200万年，这在几十亿年生物进化史上只能说是“一瞬间”

D．通过分子生物学研究，特别是人类基因组计划的实施，发现人与其他哺乳动物之间相同的基因非常多，不同的基因只是少数

[解析]　自然选择学说认为生物进化是个渐变的过程，而寒武纪的生物大爆发恰恰是自然选择学说无法解释的。

[答案]　C

易错提醒—————————————————————————————————

有关变异和选择的两个注意点

(1)环境因素的作用会提高突变的频率，但任何情况下变异都是不定向的，所以环境不能起到定向诱导变异的作用，它的作用是对不定向的变异进行定向选择。

(2)在运用达尔文自然选择学说分析问题时，要注意“变异在前，选择在后”的思路。

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【应用·体验】

1．当某种新药问世时，可有效治疗病毒性感冒。几年后疗效逐渐降低，因为感冒病毒具有了抗药性。根据达尔文的观点，其根本原因可能是(　　)

A．病毒接触药物后，慢慢地产生了抗药性

B．病毒为了适应环境，产生了抗药性变异

C．抗药性个体的出现是选择的结果

D．后来的药量用得过多，产生了抗药性变异

解析：答案：C　病毒抗药性的出现是由于感冒药的“选择”作用，淘汰了不抗药的个体，而抗药个体得以存活。

2．下列不属于拉马克进化观点的是(　　)

A．洞穴里的鱼因长期生活在黑暗条件下，眼睛失去原有的作用而退化了

B．南美大食蚁兽的舌头之所以又细又长，是由于长期舔食蚂蚁的结果

C．长颈鹿的脖子之所以很长，是由于其长期觅食高处树叶的结果

D．猎豹的速度之所以很快，是与瞪羚等动物长期相互选择的结果

解析：答案：D　洞穴里的鱼由于长期生活在黑暗条件下，眼睛萎缩、退化，强调环境的变化是物种产生变化的原因，生活在特定环境中的生物为了适应环境，某些器官由于不用而退化，并且传递给下一代，这是拉马克的“用进废退、获得性遗传”观点；南美大食蚁兽的舌头经常伸进洞穴里舔食蚂蚁，其舌头变得又细又长，长颈鹿经常努力伸长颈和前肢去吃树上的叶子，因此颈和前肢都变得很长，也都是拉马克的“用进废退”的进化观点；生活在草原上的瞪羚和猎豹都能迅速奔跑，体现了不同物种之间长期相互选择的结果，这是现代生物进化理论的观点，不是拉马克的进化观点。故选D。

科学视野——通过线粒体DNA和Y染色体研究人类的起源

关于人的起源，存在两种尖锐对立的假说：非洲起源说和多地域说。前者认为目前所有的人都来自20万年～10万年前走出非洲的直立人，这些直立人迁徙至世界各地，取代了当地由更早的非洲直立人迁徙而来形成的古人。后者则认为现代人是由扩散到不同地域的直立人平行进化的结果。目前支持证据较多的为非洲起源说。

基于线粒体DNA的遗传学研究支持了非洲起源说。线粒体只在母系中传承，没有机会重组，所以对线粒体DNA(mtDNA)的研究可以追踪人类母系的历史。研究显示，欧洲人、亚洲人和美洲人都是在10万～5万年前由非洲的种群经由亚洲西南部(中东地区)所繁衍下来的。同时，根据mtDNA建立的族谱显示，人类族谱最早可以追溯至15万年前，换句话说，即使现存亲缘关系最远的人，在15万年前也有共同的祖先。

如果能够追踪父系的路径，并且得到与母系路径相似的结论，那将是研究人类进化十分有利的证据。Y染色体是基因组中男性特有的成分。根据人类性别决定的机制，任何Y染色体都是“独一无二的”，绝对不会有另一个Y染色体可以与它有遗传物质的交流。通过对Y染色体的研究，科学家也发现人类族谱的根源在非洲，而且再度证明了人类族谱很短，只有15万年。

对mtDNA与Y染色体的研究显示，15万年前，人类族群可能经历了一场剧烈的遗传变化。那时有许多具有不同mtDNA和Y染色体的人，但是今天的人却都是其中“一个mtDNA”和“一个Y染色体”的后代。也就是说，含有其他序列的人都绝灭了，这些族群很可能经历了瘟疫或气候改变等事件。在这一事件发生后，我们的祖先离开非洲，走上了占领全球的漫长旅程。

【素养评价】

1．20世纪70年代，生物学家开始通过比较不同生物RNA、DNA的核苷酸序列来说明它们之间的亲缘关系，这属于证明生物进化的(　　)

A．胚胎学证据　　　　　　 B．比较解剖学证据

C．细胞和分子水平的证据   D．古生物化石证据

解析：答案：C　生物学家通过比较不同生物RNA、DNA的核苷酸序列来说明他们之间的亲缘关系，属于证明生物进化的细胞和分子水平方面的证据。故选C。

2.如图是根据线粒体基因构建的几种哺乳动物进化树，下列叙述正确的是(　　)

A．线粒体基因通常遵循父系遗传

B．牛与猪的亲缘关系比蓝鲸与河马远

C．自然选择决定了线粒体基因改变的方向

D．基因突变是导致线粒体基因多样性的重要原因

解析：答案：D　线粒体基因通常遵循母系遗传，A错误；从图可看出，牛与猪的亲缘关系比蓝鲸与河马近，B错误；自然选择决定了生物进化的方向，且是定向的，而线粒体基因的改变是不定向的，C错误；基因突变是导致线粒体基因多样性的重要原因，D正确。

3．连续内共生理论以一个全新的视角诠释了细胞进化的历程，认为细菌被吞噬到宿主细胞的细胞质，经过长时间的演变，成为宿主细胞的不可分割的一部分，解释了线粒体和叶绿体的起源。回答下列问题：

(1)与需氧细菌比较，原始真核细胞的表面积与体积比________。

(2)真核细胞与原核细胞核糖体沉降系数显著不同，表现在前者是80S，后者是70S；真核细胞与原核细胞遗传物质的存在方式显著不同，表现在前者是__________________________________________，后者是环状裸露的DNA。科学实验证明线粒体和叶绿体中的核糖体和遗传物质印证了连续内共生假说，但基因结构有无内含子不能印证该假说。据此推测线粒体和叶绿体中的核糖体的沉降系数为________S；线粒体基因表达__________(填“需要”或“不需要”)对DNA转录出的前体mRNA进行剪切与拼接。

(3)以达尔文自然选择学说为基础的现代生物进化理论认为各种各样的生物是在____________的作用下不断发展变化的，真核生物的____________大大加快了生物进化的速度。

(4)据图示连续内共生学说，光合作用真核生物比需氧真核生物出现得________(填“早”或“晚”)。

解析：(1)由示意图可以看出，原始真核细胞的体积比需氧细菌的体积大，所以原始真核细胞的相对表面积即表面积与体积比小。(2)真核生物的遗传物质是DNA，为规则的双螺旋链状结构，并且与蛋白质结合形成染色体(染色质)；原核生物的遗传物质是裸露的环状DNA分子，没有与蛋白质结合形成染色质。科学实验证明线粒体和叶绿体中的核糖体和遗传物质印证了连续内共生假说，即叶绿体和线粒体内的核糖体和原核生物相似，沉降系数应该为70S；基因结构有无内含子没有能印证连续内共生假说，说明线粒体和叶绿体的基因结构和真核细胞类似，所以线粒体基因的表达过程中需要对DNA转录出的前体mRNA进行剪切与拼接。(3)生物的多样性是在自然选择的作用下不断发展变化的，真核生物的有性生殖大大加快了生物进化的速度。(4)根据图示可知，光合作用真核生物是由需氧真核生物与光合作用蓝细菌进化而来的，所以光合作用真核生物比需氧真核生物出现得晚。

答案：(1)小　(2)链状DNA与蛋白质结合成染色体(染色质)　70　需要　(3)自然选择　有性生殖　(4)晚