生物必修2《遗传与进化》第2节基因在染色体上教学设计及反思

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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

第一课时

教学目的
　　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.说明现代生物进化理论的主要内容。
　　5.了解隔离的概念和类型，以及隔离与物种形成的关系，生物多样性形成的原因。
教学重点
　　1．基因频率的概念。
　　2．突变和基因重组、自然选择、隔离在生物进化过程中的作用。
　　3．隔离的概念和类型，以及物种形成的方式。
教学难点
　　1．基因频率的概念和计算方法。
　　2．自然选择在生物进化过程中的作用。

3.隔离在物种形成过程中的作用。
教学用具
　　1．非洲野牛迁徒生活的录像片断。
　　2．英国曼彻斯特地区18世纪中期到20世纪中期浅色型和黑色型桦尺蠖数量变化
的CAI课件。
　　3．加拉帕克斯岛地雀演化的CAI课件。
教学方法　　教师讲述，学生归纳，探究相结合。
课时安排　　二课时　　

教学过程

第一课时

引言：我们已经知道地球上现存的有记载的生物种类大约200多万种，还有许许多多种生物没有被我们发现，没有发现的生物数目可能要比已经发现的多10倍，更何况已经绝灭的生物比现存的还要多得多。据估计，曾在地球上生活过的生物种数可能多达5亿～10亿。这么多的生物从无到有，从少到多，从简单到复杂，从低等到高等，一批又一批地“踏上”地球，又“远离”地球走向灭亡，进行着自然界的“新陈代谢”，这就是生物的进化。（板书）
　　设问：生物为什么会进化？生物进化的实质是什么？生物进化有什么规律？
　　讲述：在21世纪的今天，随着现代生物科学的发展，关于生物进化过程的研究，虽然仍以达尔文进化理论为框架，但达尔文原来的思想却被大大改进和扩展了。关于自然选择等问题的研究，已经从生物个体为单位发展到了以种群为基本单位。形成了以自然选择学说为基础的现代进化理论。（板书）
　　设问：现代生物进化理论的主要内容包括哪几方面？
　　一.种群基因频率的改变与生物进化.

（1）种群是生物进化的单位；

提问：为什么说种群是生物进化的单位呢？种群的定义是什么？
　　讲述：请通过实例分析归纳出种群的概念。例如：

（1）一个池塘中的全部鲤鱼；
　　（2）一个池塘中的全部鱼；
　　（3）一片草地上的全部植物；
　　（4）一片草地上的全部蒲公英。
　　引导学生总结出（1）与（4）属于种群，因此，总结出种群是指生活在同一地点的同种生物个体的总和。
　　提问：种群的组成有什么特点？个体之间存在着什么关系？
　　（回答：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。个体之间存在关系是：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。）
　　讲述：因此说种群是生物繁殖的基本单位。达尔文清楚地知道只有能遗传的变异才对进化过程有意义。也就是说可遗传的变异是物种或种群进化的基础。

提问：种群中全部个体的基因称为什么？
　　（回答：一个种群所含有的全部基因，叫做这个种群的基因库。）
　　讲述：我们知道多指为显性基因控制的遗传病，而绝大多数人表现为正常。白化病是隐性基因控制的遗传病，但绝大多数人表现正常。
　　提问：以上事实说明了什么？
　　（回答：说明不同的基因在种群的基因库中所占的比例是不同的。）
　　讲述：某种基因在某个种群中出现的比例叫做基因频率。
　　提问：怎样才能知道某种基因的基因频率呢？
　　讲述：可通过抽样调查的方法获得。例如，从某种种群中随机抽出100个个体测知基因型为AA、As、aa的个体分别为30、60和10，其中A基因频率为多少？a基因频率为多少？教师的引导下由学生自己计算得出：
　　A基因频率＝
　　a基因频率＝
　　提问：（1）种群中某基因的频率能否发生变化？（2）导致种群中某基因频率发生变化的因素有哪些？
　　观看：用CAI课件模拟英国曼彻斯特地区桦尺蠖从19世纪
中期到20世纪中期，浅色型桦尺蠖和黑色型桦尺蠖所占比例发生剧烈变化的过程。首先出现19世纪中期长满地衣的浅色树干及树干上栖息着浅色与黑色9：1的桦尺蠖的画面。
　　提问：1850年以前该地区的桦尺蠖为什么以浅色为主？黑色个体很少的原因是什么？
　　回答：因为浅色与环境色彩相似，是桦尺蠖的保护色。黑色易被天敌捕食，而受到控制。
　　讲述：调查发现浅色基因频率为95％，黑色基因频率为
5％，这说明黑色基因是突变产生的。
　　观看：出现第二个画面，即随着英国工业的发展，工厂排出的煤烟使地衣不能生存，结果树皮裸露并被熏成黑色的树干及栖息着浅色与黑色1：9的两色桦尺蠖。
　　探究实验：让学生背对电脑屏幕，教师哨声一响学生转身迅速用鼠标点掉一个桦尺蠖，哨声一响再背过身去这样重复多次后，统计剩下的两色桦尺蠖的数量。
　　讨论：（1）多数幸存者的颜色与生存环境有什么关系？
　　（回答：与生存环境颜色相近。）
　　讨论：（2）你的实验结果与自然选择有什么关系？
　　（回答：与自然选择结果类似。）
　　提问：以上实验结果说明两色桦尺蠖的数量变化的根本原因是什么？
　　（回答：原因是黑色基因（S）与浅色基因（s）两种基因出现的频率发生了改变，这是长期自然选择的结果。）
　　讲述：由此可见，种群中的基因频率是可以改变的，
　　提问：进化所需要的变异的来源有几方面？
　　（回答：突变和基因重组。）
　　讲述：由减数分裂和有性生殖引起的基因重组，通过产生不同基因的组合，都提高了群体的可遗传变异。例如，人有23对染色体，即使每对染色体只含有一对杂合的等位基因，通过自由组合就会产生出8万多种不同配子，这样在一个新生儿中就可能有6l07个以上的基因重组。考虑到染色体上有许许多多对杂合基因，因此实际上基因重组数可能是一个天文数字。由此可见，一个个体所含的基因仅仅是种群中基因的小小组成部分。
　　导致基因频率改变的因素是：基因突变、基因重组、自然选择。

（2）突变和基因重组产生进化的原材料；
　　（3）自然选择决定生物进化的方向；
　　（4）隔离导致物种的形成。
　　总之，种群中的个体一代一代死亡，但基因库却在代代相传的过程中保持和发展。因此说，生物进化的过程实质上就是种群基因频率发生变化的过程。所以说种群是进化的单位。

（第二课时）

二.隔离导致物种的形成

引言：我们已经知道了：（1）生物进化的实质是种群基因频率的改变。（2）种群是生物进化的单位。（3）影响种群基因频率改变的因素有基因突变、基因重组、自然选择。
　　提问：基因突变与基因频率的改变有什么关系呢？
　　（回答：基因突变是可遗传变异的根本来源。这是因为基因突变可产生新基因（等位基因），是基因频率改变的基础。）
　　提问：基因突变有什么特点？
　　回答：基因突变的特点有：
　　（1）普遍存在的；
　　（2）随机发生的；
　　（3）突变频率是很低的；
　　（4）多数对生物体是有害的；
　　（5）不定向的。
　　讲述：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。
　　提问：为什么还能够改变种群中的基因频率呢？
　　回答：这是因为种群都由许多个体组成，每个个体都有成千上万个基因，虽然每个基因的突变率很低，但每个种群的每一代都会产生大量的突变基因。
　　讲述：例如，果蝇约有104万对基因，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基因突变数是多少？（由学生计算得出结论）每一代出现基因突变数是107个。说明种群中每一代产生的基因突变的数量是很大的，并通过繁殖得到积累是基因频率改变的基础。突变有利有害不是绝对的，是相对的。这取决于生物的生存环境。再次出示英国曼彻斯特地区19世纪中期到20世纪中期浅色桦尺蠖和黑色桦尺蠖比例变化的画面，引导学生答出（S）黑色基因是基因突变产生的，对桦尺蠖的生存是有害的，但随着英国工业的发展，桦尺蠖生存环境的改变，有害的基因（S）变为有利的基因。因此说，突变基因的有害与有利是相对的，不是绝对的。
　　提问：基因重组与基因频率的改变有什么关系？
　　回答：由于基因突变是不定向的，突变的结果可产生相应的等位基因。如前所述，假如人的23对同源染色体上都有一对等位基因，通过减数分裂和受精作用，在后代中则可产生6107个以上基因重组类型，使种群中出现大量的可遗传变异，从而使突变基因频率扩增。由于这些变异的产生是不定向的，无法定向改变基因频率。
　　设问：生物进化的方向是如何决定的呢？
　　请同学们阅读课文P66页（第二段）P67（第一段），同时回忆CAI课件所展示的结果，四人一组讨论，从宏观（性状）和微观（基因）两个方面分析英国曼彻斯特地区从19世纪中期到20世纪中期，桦尺蠖比例的变化，说明桦尺蠖进化过程的原因。
　　讲述：1．从宏观（性状）上来看进化过程为： 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。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并保留了有利变异基因，通过遗传逐渐积累。
　　由此可见，种群产生的变异是不定向的，经过长期的自然选择和种群的繁殖使有利变异基因不断积累，不利变异基因逐代淘汰，使种群的基因频率发生了定向改变，导致生物朝一定方向缓慢进化。因此，定向的自然选择决定了生物进化的方向。
　　请根据桦尺蠖的进化过程分析：
　　（1）是否产生了新的物种，为什么？
　　回答：没有产生新的物种，因为曼彻斯特地区的桦尺蠖是一个种群，个体之间彼此可以自由交配，实现基因交流，并通过繁殖将各自的基因传递给后代。
　　提问：（2）什么是物种？物种又是如何形成的？（板书）
　　回答：物种是指分布在一定的自然区域内，具有一定的形态结构和生理功能，而且在自然状态下能够相互交配和繁殖，并能够产生可育后代的一群生物个体。即物种是代代相传保持一个共同基因库的群体。
　　提问：骡子是怎样产生的？能否传种接代？说明什么问题？
　　回答：骡子是马和驴的杂交后代，不能繁殖，原因是马和驴是两个物种。
　　讲述：这一事实说明不同物种之间不能交配，或即使交配成功，也不能产生可育的后代，该现象称之为生殖隔离。
　　请分析说明：区分物种的主要依据是什么？
　　回答：区分物种的主要依据是有无生殖隔离。
　　提问：生殖隔离（物种）形成的主要原因是什么？
　　观看：演示CAI课件，给出加拉帕戈斯群岛的地图。请同
学们用地理知识估算岛与岛之间的距离。再出示不同岛上的植被情况（突出果实的大小），让学生了解各岛屿的生存条件。最后出示有不同特征的地雀，特别突出地雀喙形大小的特征，然后让学生根据地雀的特征和岛屿生存条件将地雀安放在适宜的岛上（放错会发出鸣响）。
　　讲述：加拉帕戈斯群岛上的14种地雀都起源于同一个物
种，是南美雀类的后代。请同学们分析，它们形态特征形成显著差异的原因是什么？
　　提问：加拉帕戈斯群岛之间的水域起了什么作用。
　　回答：起到地理隔离的作用。
　　讲述：一个种群由于地理环境原因被分割成了许多个小的种群——这种隔离称为地理隔离。被地理条件隔开的小种群的基因组成或基因频率起初就不可能完全相同。
　　提问：根据基因突变的随机性的特点，长期的隔离对不同岛屿上地雀小种群的基因组成有什么影响？
　　回答：由于突变是随机的，被分割的小种群可能会出
现完全不同的突变。由于地理隔离，各种群间没有基因交流，因此一个种群中的突变自然不会引起另一种群的改变。
　　提问：根据不同岛屿的生态环境特点分析14种地雀形成显著差异的根本原因是什么？
　　回答：由于地理隔离，各种群生活在不同的生态环境
中，因而有不同的选择方向。即，不同种群选择保留下的基因不同，使分开的种群的基因库组成和基因频率产生了很大的差异。这就是14种地雀形态特征显著差异的根本原因。
　　讲述：经过长期地理隔离，不同种群在形态特征。生活习性上有了显著的差异，若再次相遇仍能交配和繁殖可育后代，这样的不同种群称之为亚种。如，东北虎和华南虎属于不同的虎亚种。如果通过长期的地理隔离，使不同种群个体之间形成生殖隔离（不能发生基因交流）。新物种就产生了，如，加拉帕戈斯群岛上的14种地雀的形成过程，就是长期的地理隔离导致生殖隔离的结果。
　　因此说：物种形成的原因是突变和基因重组。自然选择及隔离三个基本环节综合作用的结果。不同新物种形成的过程进行的十分缓慢，往往需要成千上万代甚至更长。
　　小结：现代生物进化理论的基本观点是：
　　进化的基本单位是种群
　　进化的实质是种群基因频率的改变
　　物种形成的基本环节是：
　　突变和基因重组——提供进化的原材料
　　自然选择——基因频率定向改变，决定进化的方向。
　　隔离——物种形成的必要条件
三.共同进化与生物多样性的形成　　