生物的进化

高中生物-导图、进步性：合理低解释了生物进化和适应的形成，使生物学第一次摆脱了神学的束缚，走上了科学的轨道。局限性：对于遗传变异的认识还局限于性状水平，不能科学低解释遗传和变异的本质。

生物的进化

• 生物有共同祖先的证据
  • 1. 达尔文生物进化论
    • 主要内容
      • 共同由来学说：指出地球上所有的生物都是由原始的共同祖先进化来的。
      • 自然选择学说：揭示了生物进化的机制，解释了适应的形成和物种形成的原因。
  • 2. 地层中陈列的证据——化石（研究进化最直接、最重要的证据）
    • 化石
      • 概念：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
      • 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。化石是研究生物进化最直接、最重要的证据。
      • 地层中的分布规律：大部分化石发现于沉积岩的地层中。在越早形成的地层里，成为化石的生物越简单，越低等；在越晚形成的地层里，成为化石的生物越复杂，越高等。
      • 共同由来学说的支持：证实了生物是由原始共同祖先经过漫长的地质年代逐渐进化而来的。 揭示出生物由简单到复杂、有低等到高等、由水生到陆生的进化顺序。
  • 3. 其他方面的证据
    • 比较解剖学
      • 研究对象：研究比较脊椎动物的器官、系统的形态和结构，如蝙蝠的翼、鲸的鳍、猫的前肢和人的上肢
      • 研究目的：发现它们的共同特点，为这些生物是否有共同祖先寻找证据
    • 胚胎学
      • 研究对象：胚胎学是指研究动植物胚胎的形成和发育过程的学科，如人的胚胎发育过程中的鳃裂和尾的出现及消失
      • 研究目的：证明人和其他脊椎动物有共同祖先
    • 细胞和分子水平
      • 细胞水平：不同的细胞都有细胞膜、细胞质、核糖体和DNA
      • 分子水平：不同生物的DNA和蛋白质等生物大分子结构相似，单体相同
      • 研究目的：发现不同生物的共同特征
• 自然选择和适应的形成
  • 适应的普遍性和相对性
  • 适应
    • 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
    • 普遍性：适应是普遍存在的，所有的生物都具有适应环境的特征
    • 相对性：表现——适应是针对一定的环境条件而言的，是一种暂时的现象 成因——是由于基因等遗传的稳定性、多效性和环境条件的变化相互作用的结果
  • 拉马克的进化学说
    • 拉马克的进化学说
      • 对适应性的解释：当今所有的生物都是由更古老的生物进化来的，各种生物的适应性特征是在进化的过程中逐渐形成的
      • 学说核心：适应性的形成都是由于用尽废退和获得性遗传
        • 因用尽废退而获得的性状是可以遗传给后代的
      • 意义：彻底否定了物种不变论，在当时具有进步意义
        • 对适应形成的解释是肤浅的（过于强调环境变化直接导致物种变化），未被人们普遍接受
  • 达尔文的自然选择学说
    • 达尔文自然选择学说的解释模型——概念模型
    • 自然选择学说的观点
      • 过度繁殖
      • 生存斗争（种内、种间、生物与环境）
      • 遗传变异：有利变异、无利变异
      • 适者生存：有利变异逐代积累、无利变异不断淘汰
    • 达尔文自然选择学说
      • 对适应性的解释：适应的来源是可遗传变异，适应是自然选择的结果
        • 群体中出现可遗传的有利变异和环境的定向选择是适应形成的必要条件
      • 进步性：合理低解释了生物进化和适应的形成，使生物学第一次摆脱了神学的束缚，走上了科学的轨道
        • 揭示了生物界的统一性是由于所有的生物都有共同祖先
        • 揭示了生物的多样性和适应性是进化的结果
      • 局限性：对于遗传变异的认识还局限于性状水平，不能科学低解释遗传和变异的本质
        • 对适应及物种的形成等问题的解释仅限于个体水平
  • 达尔文以后进化理论的发展
    • 发展的原因
      • 关于遗传和变异的研究，从性状水平深入到基因水平，人们逐渐认识到遗传和变异的本质。
      • 关于适应以及物种形成等问题的研究，已经从以生物个体为单位发展到以种群为基本单位。
    • 发展的结果：形成了以自然选择为核心的现代生物进化理论。
• 现代生物进化理论
  • 1. 以种群作为研究的对象——种群是生物进化的基本单位
    • 种群
      • 概念：是指生活在一定区域的同种生物全部个体的集合
      • 特点：不是机械地集合在一起
        • 一个种群是一个繁殖的单位，雌雄个体可以通过繁殖将各自的基因遗传给后代
      • 基因库：是指一个种群中全部个体所含有的全部基因
      • 基因频率
        • 定义：是指在一个种群的基因库中，某个基因占全部等位基因的比值
        • 计算公式：基因频率=种群中某基因的总数/该基因及其等位基因的总数×100%
        • 影响因素：突变、迁入和迁出、选择等
  • 【计算方法探究：如何计算种群的基因频率和基因型频率】
    • 类型一：根据基因型频率计算基因频率
      • 子主题
    • 类型二：根据基因频率计算基因型频率
      • 解题方法：遗传平衡定律
      • 1. 前提：在理想种群中。
        • 种群足够大。
        • 所有雌、雄个体之间自由交配并产生后代。
        • 没有迁入和迁出。
        • 没有自然选择。
        • 没有基因突变。
      • 2. 计算公式：当等位基因只有两个（设为A、a）时，设p表示A的基因频率，q表示a的基因频率，则：
        • 基因型AA的频率=p2；
        • 基因型Aa的频率=2pq；
        • 基因型aa的频率=q2；
        • （p+q）2=p2+2pq+q2=1
• 生物的进化与物种的形成
  • 进化
    • 进化的原材料-可遗传的变异
      • 来源
        • 基因重组
        • 基因突变
        • 染色体变异
        • 统称为突变
      • 特点
        • 随机性
        • 不定向性
      • 作用
        • 提供生物进化的原材料
    • 进化的方向-自然选择
      • 直接选择生物的表现型
      • 使种群基因频率发生定向改变
        • 生物进化的实质（标志）
    • 注意事项
      • 种群是生物进化的基本单位
      • 变异是否有利由生存环境决定（自然选择）
      • 影响因素
        • 除可遗传变异及自然选择外，还有迁入迁出，（个体少时）个体死亡等
  • 物种的形成——隔离是物种形成的必要条件
    • 物种的概念
      • 能够在自然状态下相互交配并且产生后代的一群生物。
    • 什么样的物种才算新物种？
      • 与原物种之间不能交配/杂交后代不育/杂交后代不活
    • 2种隔离方式——地理隔离和生殖隔离（都可阻止基因间的交流）
      • 地理隔离：地理上隔离，但再次相遇仍能产生可育后代 如：东北虎、华南虎
      • 生殖隔离：不能交配/杂交后代不育/杂交后代不成活
    • 怎样才能形成新物种？
      • 渐变式：原物种——>长期地理隔离+自然选择——>生殖隔离——>新物种 （最常见）
      • 人工创造新物种：2N（二倍体）——>4N（四倍体）
    • 【结论】
      • 地理隔离和生殖隔离都可以阻止基因间的交流
      • 但新物种形成的标志是出现生殖隔离
      • 地理隔离不一定导致生殖隔离
      • 生殖隔离不一定经过地理隔离
      • 隔离是物种形成的必要条件
      • 判断是否形成新物种的标准：是否形成生殖隔离
      • 判断种群是否进化的标准：种群基因频率是否发生改变
      • 地理隔离（内因）
        • 不同种群出现不同的突变和基因重组
        • 不同种群间不发生基因交流
      • 自然选择（外因）
        • 食物和栖息条件互不相同
        • 自然选择对不同种群基因频率的改变所起的作用不同
      • 生殖隔离（结果）
        • 基因库形成明显的差异，并逐步出现生殖隔离，从而形成不同的物种
• 协同进化和生物多样性的形成
  • 1、协同进化
    • 概念：指不同物种之间，生物与无机环境之间在相互影响中不断进化和发展
    • 类型
      • 不同物种之间
        • 某种兰花具有细长的花矩——>某种蛾类具有吸管式的长口器（种间互助）
        • 羚羊的奔跑速度加快——>猎豹奔跑速度加快（种间斗争）
      • 生物与无机环境之间
    • 原因：生物与生物之间的相互选择和生物与无机环境之间的相互影响
    • 结果：形成生物多样性
  • 2、生物多样性
    • 三个层次
      • 遗传（基因）多样性
      • 物种多样性
      • 生态系统多样性
    • 形成原因：协同进化
    • 生物进化历程中的关键事件
      • 有性生殖的出现，实现了基因重组，增强了生物变异的多样性，加快了进化速度
      • 第三极——消费者的出现，使生态系统有更复杂的结构
      • 生物的登陆改变着陆地环境
    • 研究进化的主要依据：化石
  • 【总结】现代生物进化理论的主要观点
    • 适应是自然选择的结果
    • 种群是生物进化的基本单位
    • 可遗传变异提供进化的原材料，自然选择导致种群基因频率的定向改变，进而通过隔离形成新物种
    • 生物进化的过程实际上是生物与生物、生物与无机环境协同进化的过程
    • 生物多样性是协同进化的结果
• 【实验】探究抗生素对细菌的选择作用
  • 实验原理：一般情况下，一定浓度的抗生素能杀死细菌，但变异的细菌可能产生抗药性。在实验室连续培养细菌时，如果向培养基中添加抗生素，耐药菌有可能存活下来。
  • 实验步骤
    • 分组编号：用记号笔在培养皿的底部画两条相互垂直的直线，将培养皿分为4个区域，分别标记为1~4
    • 接种：取少量细菌的培养液，用无菌涂布器（或无菌棉签）均匀地涂抹在培养基平板上
    • 变量控制：用无菌的镊子先夹取1张不含抗生素的纸片放在1号区域的中央，再分布夹取1张含抗生素纸片放在2~4号区域的中央，盖上皿盖
    • 培养：将培养皿倒置于37℃的恒温箱中培养12~16h
    • 结果观测：观察培养基上纸片附近是否出现抑菌圈，测量、记录抑菌圈的直径，并取平均值
    • 重复实验：从抑菌圈边缘的菌落上挑出细菌，接种到已灭菌的液体培养基中培养，然后重复步骤2~5。如此重复几代，记录每一代培养物抑菌圈的直径
  • 实验结果：与区域1相比，区域234纸片周围会出现抑菌圈；234区域抑菌圈的平均直径逐代越来越小
  • 实验结论
    • 细菌耐药性的出现是发生了可遗传的变异
    • 抗生素的选择作用导致了耐药菌比例的逐渐升高