備課素材：不同種地雀形成過程 高一下學(xué)期生物人教版必修2

不同種地雀形成過程一百多年以前，達(dá)爾文乘坐貝格爾號船來到南太平洋加拉帕戈斯群島考察。考察時(shí)那里的物種激發(fā)了他的靈感，最終使他創(chuàng)立了進(jìn)化論，后人也將該群島的一些獨(dú)特鳥類命名為達(dá)爾文雀。那么，不同種地雀形成過程是怎樣的？說明了什么？1835年9月16日，年僅26歲的達(dá)爾文乘坐英國皇家貝格爾號軍艦，抵達(dá)南美島嶼加拉帕戈斯。船隊(duì)原本打算只在這座不期而遇的島嶼做短暫休息，補(bǔ)充給養(yǎng)之后，繼續(xù)踏上全球航線的征途。但是當(dāng)船隊(duì)踏上這座神奇的島嶼之后，達(dá)爾文對這里各種各樣奇異的物種發(fā)生了濃厚的興趣，在這里的研究和觀察，最終促成了自然選擇理論的形成。加拉帕戈斯群島隸屬于厄瓜多爾，也叫科隆群島，位于南美大陸以西1000多公里的太平洋上，由13個(gè)大小不一的主要島和19個(gè)巖礁組成，總面積超過7500平方公里。加拉帕戈斯群島被稱為“生物進(jìn)化活博物館”，由于封閉的環(huán)境，使得這里的動(dòng)植物資源和種類與世界上其他地方迥異，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，加拉帕戈斯群島上80%的鳥類、97%的爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物、30%以上的植物都是當(dāng)?shù)叵∮械模谑澜缙渌胤胶币姟?.達(dá)爾文的研究成果1835年9月16日，達(dá)爾文乘坐的貝格爾號軍艦抵達(dá)當(dāng)?shù)睾?，達(dá)爾文在此進(jìn)行了長達(dá)1個(gè)多月的考察。通過比對當(dāng)?shù)氐奈锓N和南美毗鄰地區(qū)的物種，達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)了關(guān)于動(dòng)植物資源和環(huán)境之間的秘密，最終得出了著名的“自然選擇”理論。1859年，達(dá)爾文的名著《物種起源》發(fā)表，發(fā)售當(dāng)天，2000冊圖書就被搶購一空。《物種起源》的發(fā)表，標(biāo)志著達(dá)爾文生物進(jìn)化論的最終形成，它對后世的哲學(xué)、生物學(xué)乃至社會(huì)學(xué)等發(fā)生了極其深遠(yuǎn)的影響。今天，自然選擇和生物進(jìn)化論，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)。達(dá)爾文在《物種起源》中說：“在那遙遠(yuǎn)的加拉帕戈斯群島上，一群小小鳥兒的可愛大嘴上，卻藏著自然的奧秘。它如此引人入勝，又讓人贊嘆生命的奇妙。這是一個(gè)永恒的事業(yè)?！?。其實(shí)，一開始達(dá)爾文對這些小鳥不太重視。在5周的停留時(shí)間里，他和同伴游歷了伊莎貝拉島、圣薩爾瓦多島、圣克里斯托巴爾島和圣瑪麗亞島，其間共采集了近70號達(dá)爾文雀標(biāo)本。他采集的這些標(biāo)本隨后被送到了鳥類學(xué)家約翰·古爾德（JohnGould）手中。鳥類專家古爾德很快便得出結(jié)論，加拉帕戈斯群島采集到的雀類標(biāo)本實(shí)際上分屬13個(gè)新種，盡管喙的形狀差別很大，但這些鳥彼此之間具有很近的親緣關(guān)系。最終他只在《貝格爾號環(huán)球旅行記》（TheVoyageoftheBeagle）當(dāng)中描述了這些鳥及它們大小差異懸殊的喙（因此，我沒有在《物種起源》中找到相關(guān)的描述）。實(shí)際上，確定地雀屬這些鳥兒“達(dá)爾文”之名的，是另外一個(gè)鳥類學(xué)家——大衛(wèi)·拉克（DavidLack）。拉克在加拉帕戈斯群島呆了5個(gè)月之久，研究不同種達(dá)爾文雀的繁殖和覓食行為；后來又跑遍了世界上各地的博物館和大學(xué)，找到了6千多個(gè)達(dá)爾文雀的標(biāo)本，測量它們的喙和身形。1947年，拉克的書《達(dá)爾文雀》面世。這本書清晰地解釋了當(dāng)時(shí)已知的14個(gè)種（這也是某些資料認(rèn)為是14種的緣由），是怎么演化出形式各異的喙的。以地雀為例，在同時(shí)有大、中、小地雀的島上，3種鳥喙的大小都不重疊，對應(yīng)著取食大小不同的種子。而只有中地雀和小地雀的島上，它們喙的大小，卻介于兩種的正常值之間，這是因?yàn)檫@些地方只有一種食種子的地雀，在缺乏競爭者時(shí)，物種會(huì)拓展實(shí)際的生態(tài)位。從拉克之后，“地理隔離”和“生態(tài)位分化”成為了演化的常識。這些鳥的祖先是同一生活在地面上的小鳥，屬于雀科，以吃種子為生。在各個(gè)島嶼上，雀類已經(jīng)適應(yīng)不同的飲食：種子、昆蟲、鮮花、海鳥的血和植物葉子。在加拉帕戈斯群島長期的生態(tài)環(huán)境變化中，形成了14個(gè)物種：3種生活在地面上，以種子為食；3種生活在仙人掌上，吃種子；1種生活在樹上，吃種子和7種生活在樹木上，以昆蟲為食。2.最新研究成果1972年，普林斯頓大學(xué)的生物學(xué)家格蘭特夫婦重返加拉帕戈斯群島。在其中的達(dá)芙尼島上，格蘭特夫婦和他們的學(xué)生對達(dá)爾文雀作了長期細(xì)致的觀察。這樣他們就能對自然選擇的效果加以量化。達(dá)芙尼島上主要有兩種達(dá)爾文雀：中喙地雀和仙人掌雀。中喙地雀的喙較鈍，它們啄開常綠植物的小種子或蒺藜種子并以此為食。仙人掌雀的喙更尖，它們食用仙人掌的果實(shí)并為仙人掌授粉。正如達(dá)爾文在進(jìn)化論中所預(yù)計(jì)的，氣候變化引起食物供應(yīng)的變化，由于自然選擇作用，食物供應(yīng)的變化使達(dá)爾文雀的喙的大小和形狀也產(chǎn)生了變化。1977年的拉尼娜現(xiàn)象使小種子消失殆盡，大部分中喙地雀餓死了，但是喙較大的中喙地雀卻依靠蒺藜種子生存了下來。中喙地雀的喙因此平均增大了4％。而1983年的厄爾尼諾現(xiàn)象又使小種子變得豐富起來，這樣喙較小的中喙地雀反而更占優(yōu)勢。結(jié)果喙又平均縮小了2.5％。自然選擇也影響到了仙人掌雀。1983年的厄爾尼諾現(xiàn)象影響了仙人掌雀的食物來源，那些喙稍鈍的仙人掌雀可以食用植物的小種子渡過難關(guān)。但是格蘭特夫婦驚奇的發(fā)現(xiàn)，在食物危機(jī)導(dǎo)致的自然選擇壓力消失以后，仙人掌雀的喙還是年復(fù)一年地變鈍。最終，他們發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“悖論”的原因。1983年的“食物危機(jī)”改變了仙人掌雀種群的性別比例，雄性和雌性的比例達(dá)到了五比一，這導(dǎo)致了部分雄性仙人掌雀和雌性中喙地雀交配，并產(chǎn)下了具有繁殖能力的后代。由于后代學(xué)習(xí)它們的仙人掌雀父親的叫聲，它們也只選擇仙人掌雀作為配偶。其結(jié)果是，中喙地雀的基因逐漸滲入了仙人掌雀的基因庫，仙人掌雀的喙因此而變得越來越鈍。生物學(xué)家把這種現(xiàn)象稱作“基因滲入”。格蘭特夫婦認(rèn)為，對于達(dá)芙尼島上的達(dá)爾文雀的研究表明，獲得外來基因的物種可能更能適應(yīng)環(huán)境的變化。同時(shí)，這種基因滲入現(xiàn)象也表明物種之間的隔離并沒有像人們認(rèn)為的那般嚴(yán)密。3.高中生物學(xué)知識解釋不同種地雀形成原因加拉帕戈斯群島達(dá)爾文雀分化的原因，各島上的地雀原本屬于同一物種，它們可以互相交配產(chǎn)生后代，但由于長期被海洋分隔，不同島嶼的環(huán)境不同，這些地雀向不同的方向進(jìn)化，不同島嶼上的種群會(huì)有不同的突變和基因重組，而一個(gè)種群的突變和基因重組不會(huì)影響另一個(gè)種群的基因頻率。因此，在自然選擇的作用下，不同種群的基因頻率會(huì)向不同的方向發(fā)展和進(jìn)化，逐漸出現(xiàn)生殖隔離，形成不同的物種。例1、達(dá)爾文在加拉帕戈斯群島上的不同島嶼上發(fā)現(xiàn)了13種地雀，其大小形態(tài)、食性、棲息環(huán)境各不相同，并且它們之間互不交配。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)它們都是由來自南美大陸的同一物種進(jìn)化而來的。請用現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的觀點(diǎn)回答下列問題：（1）這些地雀遷來后，分布于不同島嶼，不同的種群出現(xiàn)不同的基因突變和基因重組，經(jīng)過長期的

，使得不同的種群

頻率朝著不同方向發(fā)展。（2）由于島上食物和棲息條件不同，

對不同種群基因頻率的改變所起的作用就有所差異，使得這些種群

就會(huì)形成明顯的差異，并逐步產(chǎn)生了

隔離。

（3）這一事實(shí)說明：

隔離會(huì)導(dǎo)致

隔離，隔離是物種形成的

。答案：（1）地理隔離

基因（2）自然選擇

基因庫

生殖（3）地理

生殖

必要條件解析：（1）分布于不同島嶼上的地雀種群出現(xiàn)不同的基因突變和基因重組，經(jīng)過長期的地理隔離，使種群的基因頻率發(fā)生定向的改變。（2）自然選擇可使種群的基因庫形成明顯的差異，并逐步產(chǎn)生了生殖隔離。（3）一般情況下，地理隔離會(huì)導(dǎo)致生殖隔離的出現(xiàn)，隔離是形成物種的必要條件。例2、加拉帕戈斯群島由許多互不相連、彼此獨(dú)立的小島組成。1835年，達(dá)爾文在該群島發(fā)現(xiàn)地雀有13個(gè)種。

（一）（1）由于各小島彼此獨(dú)立，生活在這些小島上的原始地雀之間存在著

隔離。在長期的進(jìn)化歷程中，各個(gè)小島上的地雀分別累積各自的變異，從而彼此之間逐漸形成

隔離，最終形成了地雀新種。（2）若某個(gè)小島上的地雀均為鶯雀，則該小島上的全部鶯雀個(gè)體稱為

。加拉帕戈斯群島上的13種地雀體現(xiàn)了生物的

多樣性。

（二）其中一個(gè)小島上有一地雀種群中AA、Aa和aa的基因型頻率分別為0.3、0.4和0.3。

（1）該種群中a基因的頻率為

。如果該種群滿足四個(gè)基本條件，即種群足夠大、不發(fā)生

、不發(fā)生

、沒有遷入遷出，且種群中個(gè)體間隨機(jī)交配，則理論上該種群的子一代中aa的基因型頻率為

。

（2）假定該地雀種群滿足上述四個(gè)基本條件，但不發(fā)生隨機(jī)交配，只在相同基因型之間進(jìn)行，則理論上該種群的子一代中AA、Aa和aa的基因型頻率分別為

、

和

；如果子一代也同樣只發(fā)生相同基因型之間的交配，其后代中AA、Aa和aa的基因型頻率

（會(huì)、不會(huì)）發(fā)生改變。答案：（一）（1）地理

生殖

（2）種群

物種

（二）（1）50%

突變

自然選擇25%

（2）40%

20%

40%

會(huì)解析：本題是對加拉帕戈斯群島上多種地雀形成過程的分析，分析題干和題圖信息：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。突變和基因重組，自然選擇及隔離是物種形成過程的三個(gè)基本環(huán)節(jié)，通過它們的綜合作用，種群產(chǎn)生分化，最終導(dǎo)致新物種形成。在生物進(jìn)化過程中，突變和基因重組產(chǎn)生生物進(jìn)化的原材料，自然選擇使種群的基因頻率定向改變并決定生物進(jìn)化的方向，隔離是新物種形成的必要條件。例3、加拉帕戈斯群島由許多互不相連、彼此獨(dú)立的小島組成。1835年，達(dá)爾文在該群島發(fā)現(xiàn)地雀有13個(gè)種，因最初是達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)的，被統(tǒng)稱為達(dá)爾文地雀。如圖表示這13種地雀之間的進(jìn)化關(guān)系。（1）從圖中可以看出這些不同種的地雀都是由

這一共同祖先進(jìn)化而來的。它們雖來自共同的祖先，但喙的大小、形狀等性狀存在明顯的差異，這種現(xiàn)象在遺傳學(xué)上稱為

。

（2）大嘴地雀（學(xué)名：Geospizamagnirostris）、紅木樹雀（學(xué)名：Geospizaheliobates）、素食樹雀（學(xué)名：Platyspizacrassirostris）三者中屬于同“屬”不同“種”的是

。（3）地雀喙長短的性狀是由

控制的。不同的小島上環(huán)境不同，如果地雀的喙與之相適應(yīng)，就能獲得更好的生存和繁殖機(jī)會(huì)，所以環(huán)境在地雀的進(jìn)化過程中起到了

的作用。（4）達(dá)爾文地雀的進(jìn)化是

共同作用的結(jié)果。答案：（1）南美洲地雀

變異

（2）大嘴地雀和紅木樹雀

（3）基因

選擇

（4）環(huán)境和遺傳物質(zhì)

解析：（1）從圖中可以看出這些不同種的地雀都有共同的祖先，它們的祖先就是南美洲地雀，因此它們都是由南美洲地雀這一共同祖先進(jìn)化而來的。遺傳是指親子間的相似性，變異是指親子間及子代個(gè)體間的差異。這些不同種的地雀雖來自共同的祖先，但喙的大小、形狀等性狀存在明顯的差異，這種現(xiàn)象在遺傳學(xué)上稱為變異。（2）雙名法就是每個(gè)物種的科學(xué)名稱由兩部分組成，第一部分是屬名，第二部分是種加詞，種加詞后面還應(yīng)有命名者的姓名，有時(shí)命名者的姓名可以省略。雙名法的生物學(xué)名部分均為拉丁文。大嘴地雀（學(xué)名：Geospizamagnirostris）與紅木樹雀（學(xué)名：Geospizaheliobates）屬于同“屬”不同“種”，而素食樹雀（學(xué)名：Platyspizacrassirostris）與大嘴地雀（學(xué)名：Geospizamagnirostris）、紅木樹雀（學(xué)名：Geospizaheliobates）都不同“屬”不同“種”。