備課素材：不同種地雀形成過程 高一下學期生物人教版必修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。考察時那里的物種激發(fā)了他的靈感，最終使他創(chuàng)立了進化論，后人也將該群島的一些獨特鳥類命名為達爾文雀。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歲的達爾文乘坐英國皇家貝格爾號軍艦，抵達南美島嶼加拉帕戈斯。船隊原本打算只在這座不期而遇的島嶼做短暫休息，補充給養(yǎng)之后，繼續(xù)踏上全球航線的征途。但是當船隊踏上這座神奇的島嶼之后，達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個大小不一的主要島和19個巖礁組成，總面積超過7500平方公里。加拉帕戈斯群島被稱為“生物進化活博物館”，由于封閉的環(huán)境，使得這里的動植物資源和種類與世界上其他地方迥異，根據(jù)統(tǒng)計，加拉帕戈斯群島上80%的鳥類、97%的爬行動物和哺乳動物、30%以上的植物都是當?shù)叵∮械?，在世界其他地方罕見?.達爾文的研究成果1835年9月16日，達爾文乘坐的貝格爾號軍艦抵達當?shù)睾?，達爾文在此進行了長達1個多月的考察。通過比對當?shù)氐奈锓N和南美毗鄰地區(qū)的物種，達爾文發(fā)現(xiàn)了關于動植物資源和環(huán)境之間的秘密，最終得出了著名的“自然選擇”理論。1859年，達爾文的名著《物種起源》發(fā)表，發(fā)售當天，2000冊圖書就被搶購一空?！段锓N起源》的發(fā)表，標志著達爾文生物進化論的最終形成，它對后世的哲學、生物學乃至社會學等發(fā)生了極其深遠的影響。今天，自然選擇和生物進化論，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學的基礎。達爾文在《物種起源》中說：“在那遙遠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。這是一個永恒的事業(yè)。”。其實，一開始達爾文對這些小鳥不太重視。在5周的停留時間里，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號達爾文雀標本。他采集的這些標本隨后被送到了鳥類學家約翰·古爾德（JohnGould）手中。鳥類專家古爾德很快便得出結論，加拉帕戈斯群島采集到的雀類標本實際上分屬13個新種，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系。最終他只在《貝格爾號環(huán)球旅行記》（TheVoyageoftheBeagle）當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》中找到相關的描述）。實際上，確定地雀屬這些鳥兒“達爾文”之名的，是另外一個鳥類學家——大衛(wèi)·拉克（DavidLack）。拉克在加拉帕戈斯群島呆了5個月之久，研究不同種達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，找到了6千多個達爾文雀的標本，測量它們的喙和身形。1947年，拉克的書《達爾文雀》面世。這本書清晰地解釋了當時已知的14個種（這也是某些資料認為是14種的緣由），是怎么演化出形式各異的喙的。以地雀為例，在同時有大、中、小地雀的島上，3種鳥喙的大小都不重疊，對應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，這是因為這些地方只有一種食種子的地雀，在缺乏競爭者時，物種會拓展實際的生態(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。在各個島嶼上，雀類已經(jīng)適應不同的飲食：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，普林斯頓大學的生物學家格蘭特夫婦重返加拉帕戈斯群島。在其中的達芙尼島上，格蘭特夫婦和他們的學生對達爾文雀作了長期細致的觀察。這樣他們就能對自然選擇的效果加以量化。達芙尼島上主要有兩種達爾文雀：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并為仙人掌授粉。正如達爾文在進化論中所預計的，氣候變化引起食物供應的變化，由于自然選擇作用，食物供應的變化使達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。但是格蘭特夫婦驚奇的發(fā)現(xiàn)，在食物危機導致的自然選擇壓力消失以后，仙人掌雀的喙還是年復一年地變鈍。最終，他們發(fā)現(xiàn)了這個“悖論”的原因。1983年的“食物危機”改變了仙人掌雀種群的性別比例，雄性和雌性的比例達到了五比一，這導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。由于后代學習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。生物學家把這種現(xiàn)象稱作“基因滲入”。格蘭特夫婦認為，對于達芙尼島上的達爾文雀的研究表明，獲得外來基因的物種可能更能適應環(huán)境的變化。同時，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為的那般嚴密。3.高中生物學知識解釋不同種地雀形成原因加拉帕戈斯群島達爾文雀分化的原因，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化，不同島嶼上的種群會有不同的突變和基因重組，而一個種群的突變和基因重組不會影響另一個種群的基因頻率。因此，在自然選擇的作用下，不同種群的基因頻率會向不同的方向發(fā)展和進化，逐漸出現(xiàn)生殖隔離，形成不同的物種。例1、達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化而來的。請用現(xiàn)代生物進化理論的觀點回答下列問題：（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

就會形成明顯的差異，并逐步產(chǎn)生了

隔離。

（3）這一事實說明：

隔離會導致

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，地理隔離會導致生殖隔離的出現(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、彼此獨立的小島組成。1835年，達爾文在該群島發(fā)現(xiàn)地雀有13個種。

（一）（1）由于各小島彼此獨立，生活在這些小島上的原始地雀之間存在著

隔離。在長期的進化歷程中，各個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）若某個小島上的地雀均為鶯雀，則該小島上的全部鶯雀個體稱為

。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，且種群中個體間隨機交配，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基本條件，但不發(fā)生隨機交配，只在相同基因型之間進行，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、不會）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：種群是生物進化的基本單位，生物進化的實質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，最終導致新物種形成。在生物進化過程中，突變和基因重組產(chǎn)生生物進化的原材料，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、彼此獨立的小島組成。1835年，達爾文在該群島發(fā)現(xiàn)地雀有13個種，因最初是達爾文發(fā)現(xiàn)的，被統(tǒng)稱為達爾文地雀。如圖表示這13種地雀之間的進化關系。（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)象在遺傳學上稱為

。

（2）大嘴地雀（學名：Geospizamagnirostris）、紅木樹雀（學名：Geospizaheliobates）、素食樹雀（學名：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，就能獲得更好的生存和繁殖機會，所以環(huán)境在地雀的進化過程中起到了

的作用。（4）達爾文地雀的進化是

共同作用的結果。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

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)象在遺傳學上稱為變異。（2）雙名法就是每個物種的科學名稱由兩部分組成，第一部分是屬名，第二部分是種加詞，種加詞后面還應有命名者的姓名，有時命名者的姓名可以省略。雙名法的生物學名部分均為拉丁文。大嘴地雀（學名：Geospizamagnirostris）與紅木樹雀（學名：Geospizaheliobates）屬于同“屬”不同“種”，而素食樹雀（學名：Platyspizacrassirostris）與大嘴地雀（學名：Geospizamagnirostris）、紅木樹雀（學名：Geospizaheliobates）都不同“屬”不同“種”。