生物进化树范文

生物进化树范文（精选11篇）

生物进化树 第1篇

1 微生物抗药性进化的分子生物学证据

1.1 16S r RNA构建系统发育树

16S r RNA是原核核糖体30S小亚基的组成部分, 存在于所有细菌的基因组中[1]。其可以作为测量各类生物进化的工具的原因有以下几点: (1) r RNA是生物存活不可缺少的, 普遍存在于真核和原核生物中, 在生物进化历程中其稳定性比较高; (2) 在16S r RNA分子中, 有稳定度不同的序列区域, 适用于测量进化距离不同的各类生物亲缘关系; (3) 相对分子质量适宜序列分析。

1.2 微生物抗药性的分子机制

1.2.1 钙调磷酸酶机制

钙调磷酸酶是真核细胞信号传导途径中的关键调控因子, 对于菌株应对环境压力 (抗生素作用) 是必不可少的。细胞内有一种帮助其他蛋白质折叠并运送它们到达细胞内适当的位置的分子———分子伴侣热激蛋白90 (heat shock protein 90, HSP90) 。钙调磷酸酶发挥正常功能必须借助HSP90 对其亚基进行正确折叠。HSP90 的转录出现变异将导致细菌出现抗药性[2]。PKA可以将转录因子CRZ1 磷酸化, 使其无法进入细胞核, 造成转录异常。同时PKA出现异常, 使相关基因转录受阻形成抗药性[3]。

1.2.2转运蛋白机制

一些抗生素进入细菌体内必须借助转运蛋白的运输, 才能发挥杀菌作用。一些运输蛋白 (如ABC运输蛋白) 可以将药剂从膜内层转移至外层而排出细胞体外;另外一些运输蛋白 (如CYP51 蛋白) 基因与药物作用时易发生点突变, 造成编码蛋白与药物亲和力下降, 使抗生素作用效果大大降低, 导致抗药性。

1.2.3 rps L基因机制

链霉素作用于核糖体30S小亚基, 直接抑制蛋白质的合成。其直接的位点为核糖体上的S12 和16S RNA结构域, 染色体上编码核糖体蛋白S12 的高度保守的rps L基因的单碱基突变, 干扰了蛋白的生物合成, 从而使病原细菌具有高水平抗性且能稳定遗传。一些研究对rps L和16S r RNA基因序列进行分析和正反互补验证检测, 证明了rps L基因的第43 位碱基突变造成抗药性突变[4]。

抗性基因常与质粒、转座子关联, 链霉素的大量使用在一定程度上加剧了选择的进程, 且自然界中本身存在的链霉素抗性基因库, 二者的共同作用造成了抗性基因的大量传播。

基因重组是人类进化的一种可能的方式, 微生物能大量进行基因重组, 原核生物和真核生物中普遍存在的转座作用是微生物发生抗药性进化的一种重要机制[5]。

2 微生物进化树的构建

分析一个完整的进化树需要以下几个步骤: (1) 对目的多序列目标进行排列; (2) 构建一个进化树; (3) 对进化树可信度进行评估。

在系统发育树的构建中应用最为广泛的是PHYLIP和MEGA两款生物软件, 通过这两种软件的使用, 我们可以得到较为清楚的生物进化关系。

2.1 利用PHYLIP3.65 软件构建菌株的系统发育树[6]

具体过程见图1所示:

2.2 利用MEGA3.1 软件构建菌株的系统发育树[7]

具体过程见图2所示:

构建树的过程所耗时间和序列的数量和长短成正比。树枝上的数字表示bootstrap验证中该树枝可信度的百分比。

3 结束语

伴随着抗生素的大规模不当使用, 微生物的抗药性逐年增加, 这给人们的健康成本带来了极大的挑战。人们不断地筛选新的抗菌药物, 但要从根本上解决抗药性的问题, 我们必须了解微生物在抗药性方面的进化规律。微生物的抗药性和人类的抗生素筛选行为, 可以看成是微生物为了适应人类制造的逆境 (抗生素) 而通过进化、突变等多种方式适应生存的结果, 因此理顺微生物的进化模式, 能够帮助我们找到更好的抗生素筛选策略, 并能够从根本上研究解决微生物进化过快的问题。我们可以用分子生物学、基因组学、生物信息学的方法来研究其进化过程, 找出规律, 从而为进一步筛选药物以及合理使用药物提供科学依据。

摘要：微生物的抗药性一直是困扰人类的重大问题, 尤其是最近超级细菌的出现更是为人类敲响了警钟——对微生物的抗药性研究已经刻不容缓。本论述梳理了近年来微生物进化方面的分子生物学证据, 并介绍了两种最常用建立进化树的生物信息学方法, 从而更加直观地找出他们的进化关系。

关键词：微生物,抗药性,进化,进化树

参考文献

[1]刘琳, 刘洋, 刘红娟.基于16S r DNA的系统发育分析在微生物进化关系中的应用[J].生物学通报, 2008, 43 (11) .

[2]Seung Oe Lim, Sung Gyoo Park.Expression of heat shock proteins (HSP27, HSP60, HSP70, HSP90, GRP78, GRP94) in hepatitis B virus-related hepatocellular carcinomas and dysplastic nodules[J].World Journal of Castroenerol 2002;11 (14) :2072-2079.

[3]马宁, 崔志峰.致病真菌抗药性机制的研究进展[J].中国药理学与毒理学杂志, 2010, 24 (5) .

[4]叶滔, 马志强.植物病原真菌对甾醇生物合成抑制剂类 (SBIs) 杀菌剂的抗药性研究进展[J].农药学学报, 2012, 14 (1) :1-16.

[5]Chiou CS, Jones AL.Molecular analysis of high-level streptomycin resistance in Erwinia amylovora[J].Phytopathology, 1995, 85:324-328.

[6]张光明, 吴廷瑞.微生物与人类进化[J].医学与哲学, 1999, 20 (7) :20-22.

生物试题之生物进化 第2篇

选择题：

21.一个生态系统无论大小，都是由( )。

A.生产者、消费者和分解者组成的B.动物和植物组成的

C. 生物部分和非生物部分组成的 D.所有生物组成的

22.东北某林区，山底是落叶阔叶林，中部是红松林，山顶是冷杉林，造成这种分布状况的主要因素是：

A.阳光 B.水 C.温度 D.土壤

23.你在探究“光对鼠妇生活的影响”实验时，如何保证实验结果的不同只是由于光照的不同而引起的?

A.实验中保证充足的光照 B.给以不同的光照和湿度

C.实验中只设定光照这一个变量 D.除了光照不同外，还要给以不同的营养

24.要想最经济的利用生产者固定下来的太阳能，应选择哪一组食物结构?

A.鱼和鸡蛋 B.谷物和蔬菜 C.兔肉和水果 D.豆腐和牛肉

25.小亮调查完公园的生物种类后，将有关的生物分成了动物、植物和其它生物三类。他所采用的分类依据是

A.生活环境 B.形态结构 C.生物用途 D.个体大小

二.非选择题

26.(10分)请你帮忙：

(1)请将下列现象与相应的生物特征用线连接起来。

①老鼠见到猫就逃 a.生物的生活需要营养

②鲸呼气时产生水柱 b.生物能对外界刺激作出反应

③动物每日排尿和排便 c.生物能进行呼吸

④鸽子长大能产蛋并孵出小鸽 d.生物能排出身体内产生的废物

⑤园丁常给花草施肥 e.生物能生长和繁殖

(2)判断是非(用√或×表示)

①所有的生物的生存只需要阳光和营养物质。 ( )

②收集和分析资料是科学探究中常用的方法之一。 ( )

③生物与环境之间彼此孤立，互不影响。 ( )

④无论哪种生态系统，主要的消费者都是野生动物。 ( )

⑤生态平衡是指各种生物因素不能变化的平衡。 ( )

将进化树连根拔起！ 第3篇

1837年7月的一天,达尔文坐在小屋里,翻开记录本,用红色的羽毛笔写下:“我认为”,接着画了一幅纤细的树形结构——这就是我们后来熟知的进化树,达尔文用它来解释不同物种之间的进化关系。到《物种起源》发表22年时,这棵柔弱的“小树苗”已经长成一棵枝叶繁茂的“大树”。

进化树以所有现存生物的共同祖先为基础,伸展出树干,从树干不断地分支,最后形成典型的大树结构。树上的每一个分支都代表着一个单独的物种,而分支点表示该物种在进化上一分为二;如果树枝终结于某个死角,就表明该物种已经灭绝;成功到达树枝顶端的则代表现存的物种。进化树试图向人们展现曾经存在于地球上的每一个物种之间的千丝万缕的复杂关系,并追溯生命是如何从最初的形态走到了今天。可以说,进化树在达尔文理论中的重要性丝毫不亚于自然选择,它使进化论在科学界大获全胜。大家都相信进化树是自然界的一个客观事实,虽然它还需要进一步的补充,但基本上解释了生物之间的所有关系。进化树已经成为理解地球生命历史的统一原则。

在过去的150多年里,生物学的进步不断灌溉滋润着进化树,而完善进化树所有的分支也成为科学家的终极目标。可是现在,进化树遭到越来越多的反面证据的攻击,正逐渐成为碎片。更具爆炸性的言论是:根本没有证据可以证明进化树是客观存在的事实,它已经过时了,应该被丢弃了!

到底发生了什么?这还得从DNA的发现说起。

进化树错了?

DNA也就是脱氧核糖核酸,它和核糖核酸(RNA)都是决定生物遗传的基本物质。1953年,科学家弄清楚了DNA的分子结构,分子进化论由此诞生。科学家相信,只要能继续破解DNA,就能很快揭开RNA等其他相关遗传物质的奥秘,当然也就能为进化树提供更多的证据。因为从理论上说,进化树上两个靠得越近的分支,它们的遗传物质也应该越相近。

研究在刚开始时进行得很顺利。上世纪70年代,科学家首先利用植物、动物、微生物的RNA序列结果补充描绘了进化树的轮廓。其间,科学家意外地发现了单细胞古生菌——此前人们一直以为它们是细菌,其实它们是进化树上的一个不为人知的主要分支。在细胞结构和代谢上,古生菌接近其他原核生物,但在分子遗传学的特点上,它们并不明显表现出原核生物的特征,反而非常接近真核生物。有很多古生菌生存在极端环境中,比如间歇泉或者海底热液口附近,这些地方有着极高的温度(通常在100℃以上);还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。当然,也有一些古生菌是嗜中性的,能够在沼泽、废水和土壤中生存。很多产甲烷的古生菌生存在动物的消化道中,如反刍动物、白蚁或者人类。一般说来,古生菌对其他生物无害,迄今未发现有致病古生菌。

具有讽刺意义的是,到上世纪90年代早期,相悖的证据浮出水面。科学家在分析古生菌的DNA时,发现它与其RNA的分析结果并不总是保持一致。例如,有时候RNA分析表明物种A在进化树上比C更接近B,但DNA分析所反映的情况却正好相反。像这样自相矛盾的结论究竟哪一个才是对的呢?一个可能的答案是:DNA与RNA的结论都对,只要进化树不存在!

进化树真的错了吗?让我们先来看看进化树成立的前提是什么。达尔文认为进化的方向是垂直的,也就是说生物的遗传特征必定由父母传递给子女。但是,如果在物种之间还存在着遗传物质的交换,或进行了杂交,那么进化树就会迅速演化成枝丫交错的灌木丛,使得物种分支在某些方面非常相近,在其他方面又相去甚远。

我们现在可以精确地知道这个过程到底是怎样发生的。显然,在细菌与古生菌之间存在着基因水平转移的情况,也就是说,它们不仅将DNA传递给下一代,彼此之间也在交换DNA。更为重要的是,基因水平转移并不是生物界偶然出现的,也不是某个次要的作用因素,它在生物界广泛存在。

是“树”还是“网”?

一旦认识到基因水平转移并非次要因素,生物学家就开始重新审视进化树的意义。早在1993年,就有科学家指出,细菌和古生菌在进化树上更像一个网络。1999年,又有科学家声称:“进化树已经不再适合被画成一棵树了。它并不存在于自然界中,而是人类擅自对自然界进行的归类。”于是一场关于进化树的论战终于爆发了,对进化树持不同观点的研究者纷纷“参战”。支持者开发出复杂的计算机程序,试图画出更加完美的进化树来驳倒反对者,而反对者也毫不客气地指出进化树不合实际,是丢弃它的时候了。

2006年,支持进化树的科学家们雄心勃勃地检测了真核细胞、细菌、古生菌等191种物种的基因序列,他们最终确认了31个核心基因,这些基因都没有出现基因水平转移的现象。计算机的描绘也显示:从大肠杆菌到大象,彼此的亲缘关系几乎完美地符合进化树。然而,反对的声音很快出现:仅仅绘制出31个核心基因是没有意义的,它们所代表的不过是一种动物全部基因组的1%的内容,别说组成一棵繁茂的大树,就连画出一株幼苗都很难。于是,在不经意间,“只有1%是树结构”反而成为证明进化树多余的最好证据。

究竟要不要砍掉进化树呢?2008年,有科学家从181个原核生物中检测了数十万的基因,结果发现其中有80%表现出了基因水平转移。更令人惊讶的是,陆续进行的很多研究都表明,基因水平转移是一种自然规律。

同时,越来越多的研究认为,真核细胞源于两个原核细胞的融合。科学家猜测这一过程最初也许并不复杂,仅仅是一种原始的合并过程:这些原核细胞将自身的基因组进行整合,从而形成杂交的基因组。这显然也属于基因水平转移的一种方式。如此看来,细菌和古生菌在进化上就构成了一个圆圈,而不是从属的分支。事实上,有关研究越深入,就越证明进化树太过简单,无法充分说明整个生命史。我们不应该忘记,细菌和古生菌在这个地球上至少已经存在了38亿年,而多细胞生命出现在地球上不过是6.3亿年前的事,即便在今天,细菌、古生菌和单细胞真核生物在生物界也至少占据了90%的比例,它们是地球上生存能力最强、绝对数量最多、分布最广的生命形式。如果仅仅因为多细胞生命是按照树枝途径进化的,就说地球上的所有生命都是这样进化而来的,这肯定是错误的。

“如果真的存在一棵进化树,这棵树也仅仅只是生物界整个网络中的一个小小部分。”科学家如是说。

普遍存在的“混血儿”

事实上,在多细胞动物的进化过程中,也常常出现个体间彼此交换基因片段的现象,例如杂交就在其进化中起到了非常重要的作用,它所产生的“混血儿”至今仍生活在地球上。

早在1985年,就有生物学家对此做出了预测,只不过那时没有确凿的证据。几年前,科学家在奶牛的遗传物质中发现了蛇的基因片段;2008年,科学家又在8种动物(小鼠、大鼠、婴猴、小棕蝙蝠、无尾猬、新袋鼠、变色蜥和非洲爪蟾)中发现了一组罕见的DNA片段,但在包括人类、大象、鸡、鱼在内的其他25种生物中却没有发现这种DNA片段。这一事实说明,即便是高等动物,其DNA片段也不一定是垂直下传的,很可能也存在水平转移现象。

最近,科学家对普遍存在于人类、青蛙、海鞘、海胆、果蝇和线虫中的2000种基因片段进行了比较。从理论上讲,科学家应该可以构建出一幅详尽的进化树图,用以说明这6种生物之间的关系,但他们失败了,问题就出在不同的基因之间有着相互矛盾的进化故事。以海鞘为例,在通常情况下,海鞘是一种有被膜的动物,连同青蛙、人类和别的脊椎动物一起被归纳在脊索动物门中。但是,海鞘的基因特征所表现出来的却是一种混合信息:其中一些符合它们的归类特征,另一些却是其他种类生物的特征。对这种现象最合理的解释是,海鞘是进化上的一个生物杂合子,或许它们是在6亿年前,由早期的海鞘祖先与海胆类动物融合而成的。事实上,杂交在动植物的进化中起到了非常重要的作用。有证据表明,早期的现代人,比如直立猿人和尼安德特人就存在着通婚现象。

这些研究都将生命的进化路线从进化树上岔开了。

藏匿深海的双重生命

以前科学家认为杂交的个体无法再繁衍后代,但事实不是这样的。海洋生物学家发现,许多海洋动物都有着奇异的双重生命——它们在幼虫阶段的外形特征和成体时完全不同,这种转变被称为“变态”。

传统观点认为,变态是一个逐渐演化的过程,幼虫阶段的特征有助于成长,成虫阶段的特征有助于择偶,各自发挥着不一样的作用。但有科学家指出,如果分别根据它们幼虫和成虫的共同点绘制出各自的谱系图,就会发现这两张图千差万别,完全无法统一。科学家目前相信,变态可能早在远古时代就出现了:两个独立的物种随机融合,形成新的物种,而后它在进化中重复出现。这听起来简直不可思议,但科学家解释说,许多海洋动物在交配时,都是将各自的精子和卵子排放到水里,然后让它们自己进行最佳的组合,这种方式本身就使杂交的概率增大了。在漫长的进化路上,哪怕在100万年中只发生一次,比如一个物种的精子和另一个物种的卵子相融合,新物种就兼备了两者的共同基因,于是它们就会在不同的发育阶段表现出不一样的外在形态。

这同时也解释了为什么海底会出现那么多千奇百怪的生物,即我们所谓的“怪物”。以海星为例,生长早期的海星看起来是一条细小的幼虫,在其体内可以观察到一种海星样的结构,它随着幼虫的成长而不断长大成熟,并逐渐迁移到幼虫体外;当幼虫在海底定居后,这个结构便与幼虫的躯体彻底分离,并形成我们通常所看到的成体海星。不过,在砂海星还会发生更让人吃惊的事:当海星样的结构和幼虫分开后,幼虫的剩余躯体居然还能继续存活几个月。这种现象几乎让科学家无言以对,他们认为:“很难想象只有一套基因组的动物是怎样做到这一点的!只能说控制幼虫生长的基因与控制成体的基因是不一样的。”

现在,大多数进化生物学家都开始认识到进化树并非一个事实,而是我们强加给自然界的。他们郑重申明:“生物学的复杂性堪比量子力学!”重新认识和修订进化树,或许将成为当代科学界的一场巨大而成功的革命。进化树曾经让我们更好地认识了进化论,这是事实,但现在我们对于进化论的了解更加完善,因此是时候移除进化树了。有生物学家已经将进化树连根拔起了,他们正抡起斧头,朝着剩下的残枝砍去。

生物的变异与进化 第4篇

二、考点要求和目标

注:“Ⅱ”表示2016年考纲中对知识内容要求掌握的程度即理解所列知识和其他相关知识之间的联系和区别, 并能在较复杂的情境中综合运用其进行分析、判断、推理和评价。

三、核心知识架构

(一) 知识脉络梳理

(二) 基因突变核心知识梳理

1. 基因突变的概念及机理

2. 基因突变对生物性状的影响

(1) 引起生物性状的改变

某些碱基对在增添、缺失和替换后引起遗传信息改变, 引起部分氨基酸改变, 改变蛋白质的结构和功能, 从而引起生物性状的改变, 如下表所示:

(2) 基因突变不一定导致生物性状的改变

①基因中不具有转录功能的片段发生“突变”不引起性状改变。

②由于多种密码子可决定同一种氨基酸, 因此某些基因突变也可能不引起性状的改变。

③某些基因突变虽改变了蛋白质中个别位置的氨基酸种类, 但并不影响蛋白质的功能。

④隐性突变在杂合子状态下也不会引起性状的改变。

3. 与基因突变有关的三个知识点

(1) 联系细胞分裂:在细胞分裂间期, DNA复制时, DNA分子双链打开, 脱氧核苷酸链极其不稳定, 容易发生碱基对的变化。

(2) 联系细胞癌变:癌细胞就是原癌基因和抑癌基因发生基因突变所致。

(3) 联系生物育种:诱变育种就是利用基因突变的原理进行的。

(三) 基因重组核心知识梳理

1. 基因重组的概念及类型

基因重组是指在生物体进行有性生殖的过程中, 控制不同性状的基因重新组合, 有三种类型, 如下表所示:

2. 关注基因突变和基因重组的意义

(四) 染色体结构变异核心知识梳理

1. 染色体结构变异的变化、实质和实例

2. 结果:使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变, 从而导致性状的变异。

【特别注意】基因突变, 字面上是基因发生变化, 实质上是基因内部的碱基对发生变化, 基因的数目和位置均未发生变化;染色体变异, 字面上是染色体发生变化, 实质上是染色体内部的基因发生变化, 基因的数目和位置均发生变化。

3. 染色体结构变异和基因突变的判断

(1) 主要区别

①染色体结构变异是“线”的变化, 变异程度大, 在光学显微镜下可见;基因突变是“点”的变化, 是DNA分子内部碱基对的变化, 在光学显微镜下不可见。

②染色体结构变异改变基因的数目和位置, 基因突变不改变基因的数目和位置。

(2) 区别图示

【特别注意】欲通过显微镜观察法界定基因突变与染色体结构变异, 需取“分生组织”制片, 因为在不分裂的细胞中不出现染色体。

(五) 染色体数目变异核心知识梳理

1. 染色体组的概念及特点

(1) 概念:细胞中的一组非同源染色体, 在形态和功能上各不相同, 携带着控制生物生长发育的全部遗传信息, 这样的一组染色体称为一个染色体组。

(2) 特点:①从染色体来源看, 一个染色体组中不含同源染色体;②从形态、大小和功能看, 一个染色体组中所含的染色体各不相同;③从所含的基因看, 一个染色体组中含有控制本物种生物性状的一整套基因, 但不能重复。

2. 单倍体、二倍体和多倍体的比较

(六) 变异与育种

1. 几种育种方法的比较

【特别注意】 (1) 杂交育种选育的时间是从F2开始, 原因是从F2开始发生性状分离;选育后是否连续自交取决于所选优良性状是显性还是隐性。

(2) 诱变育种尽管能提高突变率, 但处理材料时仍然是未突变的个体远远多于突变的个体;突变的不定向性和一般有害性特点决定了在突变的个体中有害个体仍多于有利个体, 只是与自然突变相比, 有害和有利个体的数量都有所增加。

(3) 基因工程育种可按照人们的意愿定向培育新品种, 且可突破生殖隔离, 实现不同物种间的基因重组。

2. 不同目的的杂交育种程序

(1) 培育杂合子品种

在农业生产上, 可以将杂种一代作为种子直接使用, 如水稻、玉米等。其特点是可以利用杂种优势, 且获得的品种高产、抗性强, 但种子只能种一年。培育的基本步骤如下:

选取符合要求的纯种双亲杂交 (♀×♂) →F1 (即为所需品种) 。

(2) 培育隐性纯合子品种

(3) 培育显性纯合子品种

【特别注意】 (1) 单倍体育种一般应用于二倍体植物, 因为若为四倍体植物, 则通过单倍体育种形成的个体不一定是纯合子。

(2) 用秋水仙素处理植株使其染色体数目加倍。若操作对象是单倍体植株, 则属于单倍体育种;若操作对象为正常植株, 则属于多倍体育种。不能看到“染色体数目加倍”就认为是多倍体育种。

(3) 单倍体育种和多倍体育种都需要用秋水仙素处理使染色体数目加倍。单倍体育种在幼苗期处理, 多倍体育种在种子萌发期或幼苗期处理。

(4) 单倍体育种和植物细胞工程育种都运用了植物组织培养技术。

(七) 生物进化

1. 自然选择学说

2. 现代生物进化理论

3. 达尔文自然选择学说和现代生物进化理论的比较

【特别注意】选择对生物进化的影响

(1) 自然选择与人工选择

(2) 选择对基因频率的影响

①选择的直接对象是具有某特定性状表现的生物体。

②选择的实质是控制某特定性状表现的基因。

③选择的结果:从生物个体角度看导致生物个体生存或死亡;从基因角度看导致控制某特定性状基因的频率上升或下降。

4. 种群基因频率、基因型频率

(1) 基因频率与基因型频率的比较

(2) 基因频率的计算方法

(3) 运用遗传平衡定律, 计算基因频率

在一个有性生殖的自然种群中, 当等位基因只有一对 (Aa) 时, 设p代表A基因的频率, q代表a基因的频率, 则 (p+q) 2=p2+2pq+q2=1。

其中p2是AA (纯合子) 的基因型频率, 2pq是Aa (杂合子) 的基因型频率, q2是aa (纯合子) 的基因型频率。

5. 物种形成的方式

(1) 渐变式

①地理隔离是物种形成的量变阶段, 生殖隔离是物种形成的质变阶段, 只有地理隔离而不形成生殖隔离时能产生亚种, 但绝不可能产生新物种, 如东北虎和华南虎。

②生殖隔离是物种形成的关键, 是物种形成的最后阶段, 是物种间的真正界限。生殖隔离有三种情况:不能杂交、杂交不活、活而不育。

(2) 爆发式

物种的形成主要是由异源多倍体以染色体变异的方式形成新物种, 一出现可以很快形成生殖隔离 (基因频率改变) 。此种方式多见于植物。

(3) 人工创造新物种:通过植物体细胞杂交 (如番茄—马铃薯) 、多倍体育种 (如八倍体小黑麦) 等方式也可以创造新物种。

6. 物种形成的三个环节

突变和基因重组、自然选择、隔离三者的关系如下图所示:

(1) 自然选择直接作用的是生物个体, 而且是个体的表现型。

(2) 生物进化的原材料是可遗传的变异, 包括基因突变、基因重组以及染色体变异, 其中染色体变异和基因突变统称为突变。

7. 物种形成和生物进化的区别与联系

8. 共同进化与生物多样性

(1) 共同进化的类型与实例

(2) 生物多样性三个层次之间的联系

四、高考经典扫描

命题角度 (一) 以基础判断的形式, 考查基因突变的特点和原因等

例 (2015·海南卷) 关于等位基因B和b发生突变的叙述, 错误的是 ()

A.等位基因B和b都可以突变成为不同的等位基因

B.X射线的照射不会影响基因B和基因b的突变率

C.基因B中的碱基对G—C被碱基对A—T替换可导致基因突变

D.在基因b的ATGCC序列中插入碱基C可导致基因b的突变

【解析】基因突变具有不定向性, 等位基因B和b都可以突变成为不同的等位基因, A项正确;X射线的照射可能会引起基因突变, 从而导致基因B和基因b的突变率改变, B项错误;基因中碱基对的增添、替换、缺失可引起基因突变, C项描述属于碱基对的替换, D项描述属于碱基对的增添, 故C、D两项正确。

【答案】B

【易错点拨】 (1) 没有理解基因突变的特点或受思维定式的影响, 认为B基因只能突变为b或b只能突变为B; (2) 没有理解基因突变的概念, 死扣教材基因突变概念中的“碱基对”而认为D项中的“ATGCC序列中插入碱基C”是错误的。

【拓展】基因突变的原因、特点、时间和意义

命题角度 (二) 以相关实例为背景, 考查基因突变的应用

例某生物小组种植的纯种高茎豌豆, 在自然状态下却出现了矮茎后代。小组成员有的认为是基因突变的结果, 有的认为是环境引起的。为检验是何种原因导致矮茎豌豆的出现, 该小组成员设计了以下几种实验方案, 其中最简便的方案是 ()

A.分析种子中的基因序列

B.将矮茎种子在良好的环境条件下种植 (让它们自交) , 再观察后代的性状表现

C.将得到的矮茎豌豆与纯合高茎豌豆杂交, 观察后代的性状表现

D.以上方案都不合理

【解析】在有关植物鉴定的方法中, 最简单的方法是自交。如果在良好的环境条件下, 自交后代中有矮茎的出现, 说明是基因突变引起的;如果后代全是高茎, 说明是环境引起的不可遗传的变异, 故B项正确。

【答案】B

【易错点拨】 (1) 本题题干明确要求选择的是“最简便方案”, 而部分学生在审题过程中会忽略这一点。因为此类试题在设置选项时, 往往有两个或三个选项均可达到实验目的, 如本题的A、B、C三项均可达到鉴定是否发生基因突变的目的, 但只有B项的操作最简便; (2) 混淆可遗传变异和不可遗传变异的判断方法从而误选D。

【拓展】实验法判定变异类型

(1) 可遗传变异与不可遗传变异的判断方法

(2) 基因突变和基因重组的判断方法

(3) 显性突变和隐性突变的判定

②判定方法:

a.选取突变体与其他已知未突变体杂交, 根据子代性状表现判断。

b.让突变体自交, 观察子代有无性状分离从而进行判断。

命题角度 (三) 以图示形式考查染色体结构变异及其应用

例若图甲中①和②为一对同源染色体, ③和④为另一对同源染色体, 图中字母表示基因, “∘”表示着丝点, 则图乙~图戊中染色体结构变异的类型依次是 ()

A.缺失、重复、倒位、易位

B.缺失、重复、易位、倒位

C.重复、缺失、倒位、易位

D.重复、缺失、易位、倒位

【解析】分析题图可知, 图乙表示染色体缺失D片段;图丙表示同一条染色体上C片段发生重复;图丁表示染色体上B、C片段位置颠倒;图戊中一条染色体的片段移接到另一条非同源染色体上, 属于易位, A项正确。

【答案】A

【易错点拨】本题考查学生对教材中染色体结构变异图示的迁移应用, 旨在考查学生对染色体结构变异图示的分析判断能力。但部分学生会因只识记了染色体结构变异的四种类型或没有结合教材图示理解染色体结构变异的具体过程而不能确定图丁和图戊的变异类型。

【拓展】“二看法”判断染色体结构变异的类型

一看基因位置:若基因种类和基因数目未变, 但染色体上的基因位置改变, 则为染色体结构变异中的“易位”或“倒位”;

二看基因数目:若基因的种类和位置均未改变, 但基因的数目改变, 则为染色体结构变异中的“重复”或“缺失”。

命题角度 (四) 结合相关实例考查染色体数目变异的原理及其与育种的联系

例 (2016·四川卷) 油菜物种Ⅰ (2n=20) 与Ⅱ (2n=18) 杂交产生的幼苗经秋水仙素处理后, 得到一个油菜新品系 (注:Ⅰ的染色体和Ⅱ的染色体在减数分裂中不会相互配对) 。

【解析】 (1) 秋水仙素通过抑制细胞有丝分裂过程中纺锤体的形成, 使染色体加倍, 从而形成纯合体, 所以将获得的植株自交, 子代不会出现性状分离。 (2) 由于油菜新品系是油菜物种Ⅰ (2n=20) 与Ⅱ (2n=18) 杂交产生的幼苗经秋水仙素处理后获得, 所以细胞中含有 (10+9) ×2=38 (条) 染色体。观察油菜新品系根尖细胞有丝分裂, 应观察分裂旺盛的分生区细胞, 处于分裂后期的细胞中着丝点分裂, 染色体数目暂时加倍, 所以含有76条染色体。 (3) ①由实验一可判断出, 种子颜色性状中黄色对黑色为隐性。②实验二中子二代的表现型及比例为3∶13, 类似于9∶3∶3∶1的比例, 说明F1的基因型为Aa Rr, 表现为黄色, 说明R基因存在时会抑制A基因的表达, 故两实验中亲本甲、乙、丙的基因型分别为AArr、aarr、AARR, F2代产黄色种子植株中, 纯合子只有1/13AARR、1/13aa RR、1/13aarr, 故杂合子占10/13。③实验二中, 乙、丙的基因型分别为aarr、AARR, 原本F1的基因型为Aa Rr, 现发现子一代体细胞中有两条含R基因 (基因型为Aa RRr) 的染色体, 说明丙植株在减数第一次分裂后期含R基因的同源染色体未分离或丙植株在减数第二次分裂后期含R基因的姐妹染色单体未分离。由于该植株基因型为Aa RRr, 其自交可分解为两个分离定律分别考虑, 即Aa自交和RRr自交, Aa自交可产生3/4A_、1/4aa, RRr自交可产生4种类型的配子, 分别为1/3Rr、1/3R、1/6RR、1/6r, 故后代中产黑色种子 (A_rr) 的植株所占比例为1/6×1/6×3/4=1/48。

【答案】 (1) 纺锤体不会 (2) 分生76 (3) ①隐②R AARR 10/13③植株丙在减数第一次分裂后期含R基因的同源染色体未分离 (或植株丙在减数第二次分裂后期含R基因的姐妹染色单体未分开) 1/48

【易错点拨】本题第 (1) 小题考查秋水仙素的作用机理, 较简单。但是, 第 (3) 小题的两空易出错, 其原因是:①部分学生对减数分裂过程中导致染色体数目变异的过程不熟悉;②部分学生无法确定染色体数目变异后配子的种类及比例。

【拓展】怎样推断多倍体产生配子的类型及比例?

答:推断多倍体产生配子的类型及比例时, 最常见的是三倍体和四倍体配子, 如AAAA、AAAa、AAaa、AAa、Aaa等, 方法如下:

命题角度 (五) 综合考查生物变异与育种

例 (2015·浙江卷) 某自花且闭花授粉植物, 抗病性和茎的高度是独立遗传的性状。抗病和感病由基因R和r控制, 抗病为显性;茎的高度由两对独立遗传的基因 (D、d, E、e) 控制, 同时含有D和E表现为矮茎, 只含有D或E表现为中茎, 其他表现为高茎。现有感病矮茎和抗病高茎两品种的纯合种子, 欲培育纯合的抗病矮茎品种。请回答下列问题:

【解析】 (1) 该植物是自花且闭花传粉, 所以在自然状态下, 该植物一般都是纯合子。 (2) 由于基因突变具有低频性、多方向性和有害性等特点, 所以采用诱变育种获得优良品种时需要处理大量种子。 (3) 若采用杂交育种获得所需要的稳定遗传的优良品种, 需要将两个亲本杂交获得F1, F1自交获得所需要的性状后再连续自交, 直到不再出现性状分离, 最终获得所需要的稳定遗传的品种。由此可推测, 一般情况下, 控制性状的基因数越多, 育种年限越长。若只考虑茎的高度, 两亲本杂交获得F1的基因型为Dd Ee, F1自交后代F2的基因型 (表现型) 为9/16D_E_ (矮茎) 、3/16D_ee (中茎) 、3/16dd E_ (中茎) 、1/16ddee (高茎) , 故F2的表现型及其比例为高茎∶中茎∶矮茎=1∶6∶9。 (4) 单倍体育种分为三步:第一步是亲本杂交得到F1, 第二步是将F1的花药离体培养获得单倍体幼苗, 第三步是用秋水仙素处理单倍体幼苗。单倍体育种涉及的原理有基因重组和染色体变异。

【答案】 (1) 纯 (2) 多方向性、稀有性 (3) 选择纯合化年限越长高茎∶中茎∶矮茎=1∶6∶9 (4) 基因重组和染色体畸变遗传图解如下图所示:

【易错点拨】 (1) 对杂交育种的程序及具体操作和目的不熟悉, 易在第 (3) 小题出现错误。例如, 本小题第二空所填内容应为杂交育种中从子二代开始连续自交的目的, 而部分学生可能只记忆了操作方法, 即“连续自交”、“筛选”等, 而忽略了这一操作的目的。 (2) 对单倍体育种的程序不熟悉易在第 (4) 小题第一空出现错误。在单倍体育种过程中, 往往首先需通过杂交将不同优良性状集中到同一个体上, 另外, 在杂交及F1的配子形成过程中均涉及基因重组, 而部分学生忽略了这一点, 只填写了染色体变异的相关内容。

【拓展】关于育种方法的选择

(1) 若要培育隐性性状个体, 则可选择自交或杂交, 只要出现该性状即可。

(2) 有些植物如小麦、水稻等, 杂交实验较难操作, 则最简便的方法是自交。

(3) 若要快速获得纯合子, 则用单倍体育种法。

(4) 若实验植物为营养繁殖类如土豆、地瓜等, 则只要出现所需性状即可, 不需要培育出纯种植物。

(5) 若要培育出原先没有的性状, 则可选择诱变育种。

(6) 提高营养物质含量可选择多倍体育种。

(7) 将两个亲本的不同优良性状集中在一起, 可利用杂交育种。

(8) 若要定向地改造生物性状, 则可选择基因工程育种。

(9) 在实际育种过程中, 并非单一地运用某种育种方式, 而是根据需要综合运用多种育种方式。

命题角度 (六) 通过相关实例考查生物进化的相关知识

例 (2015·安徽卷) 现有两个非常大的某昆虫种群, 个体间随机交配, 没有迁入和迁出, 无突变, 自然选择对A和a基因控制的性状没有作用。种群1的A基因频率为80%, a基因频率为20%;种群2的A基因频率为60%, a基因频率为40%。假设这两个种群大小相等, 地理隔离不再存在, 两个种群完全合并为一个可随机交配的种群, 则下一代中Aa的基因型频率是 ()

A.75%B.50%C.42%D.21%

【解析】两种群均处于遗传平衡状态, 且种群大小相等, 故两种群完全合并后A、a的基因频率分别为两种群A、a基因频率的平均值, 即A基因频率= (80%+60%) ÷2=70%, a基因频率= (20%+40%) ÷2=30%。该种群随机交配后, 子一代中Aa的基因型频率为2×70%×30%=42%, 故C项正确。

【答案】C

【易错点拨】生物进化的实质是种群基因频率的改变, 有关种群基因频率变化的相关计算也是高考中的常考点。在本题中, 部分学生因不了解两种群合并后随机交配对种群基因频率及基因型频率的影响而出现错误。

【拓展】自交和自由交配对种群基因型频率和基因频率的影响

(1) 自交:基因型频率发生变化, 纯合子比例逐渐增大, 杂合子比例逐渐减小, 但基因频率不变。

(2) 自由交配:基因型频率和基因频率都不变。

五、强化训练

1. 下列关于基因突变和染色体变异的叙述, 正确的是 ()

A.DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失都会导致基因突变

B.有丝分裂和减数分裂过程中都可能发生基因突变和染色体变异

C.染色体易位不改变基因数量, 对个体性状不会产生影响

D.用秋水仙素处理单倍体幼苗, 得到的个体都是二倍体

2. 下图为细胞分裂过程示意图, 下列有关说法正确的是 ()

A.图甲中细胞只发生了减数分裂, 该过程一定发生基因突变

B.图乙中若其中一条染色体上有一个基因a, 则另一极对应的染色体上可以是A或a

C.上述三图所示过程中, 只会发生基因突变和基因重组

D.图丙中若发生了同源染色体的交叉互换, 则该变异属于倒位

3. 下列有关现代生物进化理论观点的叙述, 错误的是 ()

A.发生在生物体内的基因突变可改变种群的基因频率

B.两个种群间的生殖隔离一旦形成, 它们就是两个物种

C.生物多样性的形成过程就是新物种不断形成的过程

D.共同进化都是通过不同物种之间和生物与环境之间相互影响实现的

4. 科学家以正常人及某种病患者的相应m RNA为模板合成了c DNA。已查明该患者相应蛋白质中只有32号氨基酸与正常人不同, c DNA中只有一个位点的碱基发生改变。对比结果见下表。以下有关分析合理的是 ()

A.c DNA所含的碱基数为96

B.合成c DNA时需要DNA解旋酶

C.患者第94号位点碱基缺失

D.患者相应氨基酸的密码子为CAC

5. 下图表示利用二倍体西瓜 (2N) 培育三倍体无子西瓜 (3N) 过程中染色体数目变化的情况, 下列说法不正确的是 ()

A.①过程中染色体复制两次细胞分裂一次

B.②过程可能发生突变和基因重组

C.图中只包含两个不同的物种

D.三倍体无子西瓜只能产生极少数可育的配子

6. 下表所示为某物种迁入新环境后, 某对等位基因基因频率的变化情况, 由这些数据不能得出的结论是 ()

A.由于种群基因频率改变, 该生物发生了进化

B.a基因控制的性状可能更适应新环境

C.1970年, 该种群中Aa的基因型频率一定为18%

D.基因频率的改变是通过环境对生物个体的选择实现的

7. 下图表示由甲、乙两种植物逐步培育出戊植株的过程。请据图回答:

(1) 通过I过程培育出丙种植物的方法有以下两种:

(3) 若B基因控制着植株的高产, D基因决定着植株的抗病性。如何利用戊植株 (该植株为两性花) , 采用简便的方法培育出高产抗病的新品种 (不考虑同源染色体的交叉互换) ?请画图作答并作简要说明。

8. 图1表示果蝇体细胞的染色体组成, 图2表示果蝇性染色体X和Y的非同源区段和同源区段。已知控制果蝇刚毛 (B) 和截毛 (b) 的等位基因位于X、Y染色体的同源区段。

请分析回答:

生物的变异与进化

1.B 2.B 3.C 4.D 5.A 6.C

生物的进化生物教案 第5篇

“生物进化的历程”这节课的内容抽象,是学生较难理解的,关键是教师如何引导,激发他们的思维。讲解化石时,利用化石标本给学生观察,把抽象化为直观。讲生物的进化历程时,应通过列图形式把抽象问题化解为直观的问题,通过拼图“生物进化树”的游戏活动使学生对生物进化有更直观的理解。

【设计理念】

生物进化的历程极其漫长而复杂。因此，本节教学内容，要求教师要把握好教学目标，不要增加知识的难度。本节课以新课程倡导“自主探究、合作学习、创新发展”的理念为依据，以过程作为本节的主线。通过精心创设问题情景，引导学生开展讨论，获得知识，并将所学知识用于生活实践。

【教学目标】

(一)知识目标

1.举例说出生物进化的总体趋势。

2.概述生物进化的主要历程，形成生物进化的观点。

3.说出研究生物进化课题的一些基本方法。

(二)能力目标

观察化石、标本、图片等，尝试推测生物可能的生活环境，并且对生物的进化趋势进行推理。培养学生分析、推理、归纳和比较的能力。

(三)情感目标

通过对生物进化历程的学习，使学生进一步树立正确的唯物主义思想。激励学生保护生命，热爱生命。

【教学重点】1.说出生物进化的总体趋势。

2.描述生物进化的主要历程。

【教学难点】

通过完成进化树，概述生物进化的主要历程。

【教学准备】

教师准备：有关视频、图片和数据资料、化石课件。

学生准备：课前预习;尽可能搜集有关资料，按小组收集整理。

【教学课时】1课时

【教学流程】

(一)复习提问

1.生物进化的主要证据是什么?

2.科学家比较各个地层中的化石后发现：不同年代的地层里成为化石的生物有什么特点?

思考并回答不同年代的地层里成为化石的生物：古老地层中的简单，晚近地层中的结构复杂。通过对化石的复习，为生物进化历程做好铺垫。

(二)导入新课：

播放影片《侏罗纪公园》的精彩片段，讲述：在生命进化的长河中，中生代称霸一时的恐龙现在销声匿迹了，而龟、鳄鱼却顽强地存活下来，不断地进化和发展。生物进化的历程是怎样的呢?这节课我们来学习第三节生物进化的历程。观看影片进入情境，激起学习新知的兴趣，快速进入思维状态。

学生在特定的情景中，才会缩短学生、教材、教师的距离。

(三)探究新知：

生物进化的总体趋势：

1.过渡生物进化是一个漫长的过程，无法直接用观察和实验的方法再现。科学家在研究生物进化的历程过程中对不同类群的生物进化比较，对比不同类群的生物的结构、功能和生活习性，发现各类生物的相同和不同的特点。前面我们已经学习过动植物类群的相关知识，大致了解了它们的主要特征，有的类群结构简单，有的结构复杂，下面我们就来回顾一下。

2.展示图片

3.提问：

上面五幅图片中的植物分别是什么名称?属于哪个类群?生活环境、器官、生殖各有什么特点?

4.提问通过比较植物的生活环境和形态结构特点，你们能发现什么规律?

5.展示脊椎动物心脏结构图片并提问：

(1)它们分别表示哪种动物的心脏A_____、B______、C ______、D _______。

(2)鱼类的心脏______心房________心室，

两栖类的心脏______心房______心室，

爬行类的心脏_______心房________心室，心室里有_____________________，鸟类和哺乳类的心脏______心房______心室。

(3)推测哪类动物的血液输送氧气的能力最强?试从图中动物的心脏结构特点推测它们的进化历程。

(4)鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的生活环境有什么特点?

6.引导学生总结纵观生物进化的历史，其总体趋势是：形态结构上是从到;生活环境上是从到;进化地位上是从到。

(四)层层递进：生物进化的主要历程

1.过渡从最早的原始生命发展到今天的哺乳动物，生物的进化已经持续了近40亿年的时间。科学家通过对不同年代化石的纵向比较，以及对现存生物种类的横向比较等方法，推测出了生物进化的大致历程，为了方便人们的理解，把这个复杂的过程画成了一棵进化树。

2.展示出生物进化树图片。

3.引导学生思考：

(1)为什么进化树的根是一个完整体，而逐渐产生了动植物的分支?

(2)此树从树根到树梢代表什么的延伸?主干代表什么?大小分枝代表什么?

4.进一步完成讨论题：

(1)动物和植物进化的主要历程分别是怎样的?请用一种简捷的方式表示出来。

(2)生物进化树是否全面?为什么?

(3)地球上最早出现的陆生脊椎动物是谁?

(4)原始生命分化为原始藻类和原始单细胞动物的根本原因是什么?

5.观察生物进化树思考回答：

(1)现在各种动植物都是进化树根上原始生命进化来的。

(2)此树从树根到树梢代表时间的延伸。主干代表各级共同祖先大小分枝代表相互关联的各个生物类群的进化线索。

6.根据生物进化的总体趋势分组讨论，分组展示讨论的结果，共同完成进化树，并解释出把自己的号牌和贴画放在某个位置的理由，完成生物进化树。

7.讨论回答：

(1)植物进化历程：原始单细胞藻类→原始苔藓→原始蕨类→原始种子植物

动物进化的历程：原始的单细胞动物→原始的无脊椎动物→原始的脊椎动物

(2)不全面，因为生物进化树缺少缺少病毒和原核生物。

(3)最早出现的陆生脊椎动物是古代的爬行类。

(4)分化的根本原因是营养方式的不同。

用进化树的形式介绍这一内容可以通过直观又简洁的方式使学生接受这个知识。在完成进化树的填图之后，纵观全局，便于学生理解人类和其他生物来自共同祖先这一真理。便于教育学生热爱生命，关爱生命。

8.“让生物进化树结出果实小游戏”能够激发学生的学习兴趣，还能很好体现学以致用。

让学生试着写出动物和植物的进化历程，是对学生动手能力和书面表达能力的锻炼。

(五)归纳梳理：

引导学生总结：本节课我们知道了研究生物进化的常用方法—比较法;理解了生物进化的大致历程和总体趋势。现在的各种生物虽然性状有很大的差别，但是都起源于同一祖先。希望我们人类和自然和谐相处!

“现代生物进化理论”的高考视点 第6篇

现代生物进化理论部分的考点有现代生物进化理论的主要内容以及生物进化与生物多样性的形成, 这两个考点在考纲中都为Ⅱ要求, 且与其他章节联系非常密切, 易成为命题的热点, 复习时不能小觑。

一、高考回眸

二、考纲解读

三、考点梳理

1. 达尔文的自然选择学说

本考点是识记内容, 考查频率低, 近年来仅见2009年的广东高考卷以选择形式考查对自然选择学说的认识和2012年的江苏高考卷考查对自然选择学说和现代生物进化论对生物进化的解释。

(1) 自然选择学说的主要内容

过度繁殖→生存斗争→遗传变异→适者生存。 (1) 在生存斗争中, 适者生存, 不适者被淘汰的过程叫自然选择; (2) 变异是不定向的, 为生物的进化提供原材料, 而遗传变异是生物进化的内因; (3) 过度繁殖加剧了生存斗争, 生存斗争是生物进化的动力; (4) 自然选择是长期缓慢的过程, 决定着生物进化的方向。

(2) 自然选择学说解释生物进化的现象

高考追踪1. (2012年江苏卷·5) 下列关于生物进化的叙述, 错误的是 ()

A.生物的种间竞争是一种选择过程

B.化石是研究生物进化的重要依据

C.外来物种入侵能改变生物进化的速度和方向

D.突变的可遗传性阻碍生物进化

解析:达尔文认为生物有过度繁殖的倾向。为争夺有限的食物、空间等资源, 同种或异种个体之间发生竞争, 部分生物被淘汰。竞争是选择的手段和过程, 选择通过竞争实现适者生存、不适者被淘汰, A项正确。化石是保存在地壳中的古代生物的遗体、遗物或遗迹, 通过化石可以看出形成化石的生物的生活年代、生活环境以及形态结构等特征, 从而看到生物从古到今的变化, B项正确。外来物种入侵可能造成当地物种的衰退或绝灭, C项正确。达尔文认为, 变异是普遍存在的, 只有适应环境的变异生存下来, 经过遗传积累, 进化成今天的物种。可遗传的变异包括基因突变、基因重组和染色体变异, 其中基因突变和染色体变异称为突变。现代生物进化论认为, 突变为生物进化提供原材料, D项错误。

答案:D

2. 现代生物进化理论的主要内容

近年来, 新课标地区对此部分的考查力度加大, 常以选择题形式考查对现代生物进化理论的理解、基因频率和基因型频率的计算或以综合型的非选择题形式考查现代生物进化理论的应用。考题逐渐从考点较单一的选择题向联系前后知识、综合性较强的非选择题发展。

(1) 现代生物进化理论的要点

种群是生物进化的基本单位, 生物进化的实质是种群基因频率的改变。突变和基因重组、自然选择及隔离是物种形成过程的三个基本环节, 通过它们的综合作用, 种群产生分化, 最终导致新物种形成。在这个过程中, 突变和基因重组产生生物进化的原材料, 自然选择使种群的基因频率定向改变并决定生物进化的方向, 隔离是新物种形成的必要条件, 生殖隔离是新物种形成的标志。

(1) 种群和基因库的内涵

(2) 种群、物种的比较

(3) 哈迪—温伯格定律

哈迪—温伯格定律适用的条件可以简记为:“一自” (自由交配) , “一大” (群体足够大) , “三无” (无突变、无自然选择、无迁入和迁出) 。哈迪—温伯格定律也称为遗传平衡, 即各等位基因的频率和等位基因的基因型频率在一代一代的遗传中是稳定不变的, 或者说, 是保持着基因平衡的。实际上, 这样的平衡是不可能存在的, 因为种群基因频率的改变是客观的。亲代和子代之间基因频率的差异可能是微妙的, 但当这一差异由量变的积累而达到质的差异时, 经过代代的遗传, 该种群就渐变成另外一个不同的种群了, 所以从理论上分析, 种群基因频率的改变是不可避免的, 生物的进化是必然的。

哈迪—温伯格定律的计算公式:当等位基因只有两个时, 如A、a, 设p表示A的基因频率, q表示a的基因频率, 则基因型AA的频率为p2, Aa的频率为2pq, aa的频率为q2;当基因型aa的频率为x%时, 则a的基因频率为的基因频率为, AA基因型频率为, Aa基因型频率为

(4) 基因频率与基因型频率的比较

当控制一对相对性状的等位基因位于常染色体上时, 有关基因频率和基因型频率计算如下:设有N个个体的种群, AA、Aa、aa的个体数分别是n1、n2、n3, A、a的基因频率分别用PA、Pa表示, AA、Aa、aa的基因型频率分别用PAA、PAa、Paa表示, 则:

XY型性别决定的生物, 基因在X染色体上, Y染色体上无等位基因, 计算时只计X染色体上的基因数不考虑Y染色体, ZW型性别决定相类似。有关基因频率和基因型频率计算如下:在一个工厂中, 男女职工各100名, 女性中, 色盲基因 (Xb) 携带者为5人, 色盲患者为1人;男性中色盲患者为8人, 则Xb的基因频率为:。如果已知人群中, 伴X隐性男性患者的比例为p, 则可认为这个人群中此基因频率为p, 由此可计算女性中患病的频率为p2, 如色盲的遗传中男性发病率7%, 女性中发病率为 (7%) 2≈0.5%。

(5) 自交和自由交配的比较

狭义的自交仅限于植物, 指两性花的自花传粉, 或者雌雄同株的一株植物上, 雄花和雌花传粉, 其实质就是参与融合的两性生殖细胞来自同一个体。广义的自交是指具有相同基因型的两个个体进行交配的遗传学实验。若只考虑一个种群的一对等位基因B和b, 种群中个体的基因型为BB、Bb、bb, 则其包含的交配组合为BB×BB、Bb×Bb、bb×bb三类。

自由交配是指种群内具有生殖能力的雌雄个体之间可以随机交配, 不受基因型的限制。从理论上讲, 在一个大的种群中, 如果没有突变和迁移, 只要个体间可以自由交配, 这个种群经过一代就可以达到遗传平衡。若只考虑一个种群的一对等位基因B和b, 种群中个体的基因型为BB、Bb、bb, 则其包含的交配组合为BB×BB、Bb×Bb、bb×bb、BB×Bb、Bb×bb、BB×bb。

高考追踪2. (改编2012年安徽卷第4题) 假若某植物种群足够大, 可以随机交配, 没有迁入和迁出, 基因不产生突变。抗病基因R对感病基因r为完全显性。抗病植株可以正常开花和结实, 而感病植株在开花前全部死亡。

(1) 现种群中感病植株rr占1/9, 抗病植株RR和Rr各占4/9, 则子一代中感病植株占_____。

(2) 将两纯合的抗病植株和感病植株杂交得到的F2个体, 在开花前分别套袋处理至受精完成, 则F3中RR∶Rr∶rr=_____。

解析: (1) 因感病植株rr在开花前死亡, 不能产生可育的配子, 所以抗病植株RR和Rr各占1/2, PR=PRR+1/2PRr=1/2+1/2×1/2=3/4, Pr=1/4, 则随机交配后子一代中感病植株占1/4×1/4=1/16。

(2) 将F2套袋处理, 实际是对各植株进行自花传粉, 由于感病植株在开花前全部死亡, 故F2中RR∶Rr=1∶2, 则F3中RR=1/3+2/3×1/4=1/2, Rr=2/3×1/2=1/3, rr=2/3×1/4=1/6, 所以RR∶Rr∶rr=3∶2∶1。

答案: (1) 1/16 (2) 3∶2∶1

(6) 隔离与物种形成

隔离是物种形成的必要条件, 包括地理隔离和生殖隔离。其实质是阻止生物之间的基因交流, 仅有地理隔离不能产生新的物种, 生殖隔离才是物种形成的关键。

物种形成的三个模式:渐变式, 如加拉帕戈斯群岛上13种地雀的形成;骤变式———主要是通过异源多倍体的染色体畸变的方式形成新物种, 一出现可以很快形成生殖隔离 (基因频率改变) ;人工创造新物种———通过植物体细胞杂交 (如番茄—马铃薯) 、多倍体远缘杂交 (如甘蓝—萝卜) 、多倍体育种 (如八倍体小黑麦) 等方式也可以创造新物种。

(2) 现代生物进化理论与达尔文进化论的比较

二者都能解释生物进化的原因和生物的多样性、适应性。但达尔文进化论没有阐明遗传和变异的本质以及自然选择的作用机理, 而现代生物进化理论克服了这个缺点;达尔文的进化论研究生物个体的进化, 而现代生物进化论则强调群体的进化, 认为种群是生物进化的基本单位;现代生物进化理论认为生物进化的实质是种群基因频率的改变, 从分子水平上阐述, 而自然选择学说从性状水平解释进化;现代生物进化理论强调隔离在物种形成中的作用。

现代进化论虽然能解释达尔文进化论中的许多难点, 但是, 对一些比较复杂的进化问题如新结构、新器官的形成, 生物适应性的起源, 变异产生的原因问题, 分子水平上的恒速进化现象, 生物进化中出现的大爆炸、大绝灭等还不能做出强有力的解释, 所以现代进化论仍需不断补充、发展和完善。

高考追踪3: (2012年海南卷·23) 关于现代生物进化理论的叙述, 错误的是 ()

A.基因的自发突变率虽然很低, 但对进化非常重要

B.不同基因型的个体对环境的适应性可相同, 也可不同

C.环境发生变化时, 种群的基因频率可能改变, 也可能不变

D.同一群落中的种群相互影响, 因此进化的基本单位是群落

解析:基因突变率虽然低, 但种群中有许多个体, 每个个体的细胞内基因成千上万, 故每一代会产生大量的突变, 对进化非常重要, A项正确。生物的表现型是基因型与环境共同作用的结果。基因型相同, 表现型可能相同, 对环境的适应性相同;也可能表现型不同, 对环境的适应性不同, B项正确。变异是普遍的和不定向的, 环境发生变化时, 种群可能存在与环境相适应的变异, 也可能没有发生变异, 由于自然选择, 种群的基因频率可能定向改变, 也可能不变, C项正确。群落由不同物种组成, 不同物种之间存在生殖隔离, 不能进行基因交流, 所以群落不是进化的基本单位。现代生物进化论认为, 种群是进化的基本单位, D项错误。

答案:D

3. 物种形成与生物进化、共同进化、多样性的形成

近年来对本部分的考查多见于融于生态问题或遗传变异知识, 以某一小问的形式出现于非选择题中, 如2012年的天津卷、重庆卷等。本知识块之间的内在联系如下图:

(1) 物种形成和生物进化的区别

(2) 生物进化与共同进化

生物进化其实就是种群基因频率改变的过程。突变和基因重组使生物个体间出现可遗传的差异。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。生物进化的顺序为:简单→复杂, 低等→高等, 水生→陆生, 异养→自养, 厌氧型→需氧型, 无性生殖→有性生殖。代谢类型的进化顺序为:自养厌氧型→异养厌氧型→异养需氧型。

共同进化是指不同物种之间、生物与无机环境之间在相互影响中不断进化和发展。共同进化的结果导致生物多样性的形成。

(3) 生物多样性的内涵

生物多样性的形成是长期自然选择的结果, 包括基因的多样性、物种的多样性、生态系统的多样性。地球上生物的生存环境是多样的, 不同的环境中自然选择的方向是不同的, 不同的选择方向形成不同的生物类型, 最后形成不同的物种。不同的物种, 其基因库中的基因也是不同的, 就形成了基因的多样性。生物多样性的根本原因是DNA的多样性, 直接原因是蛋白质的多样性。

高考追踪4: (2012年天津卷·9) (节选) 夏初, 在某河口多地点采集并测定水样, 结果表明, 各采样点无机氮浓度相近, 而无机磷浓度差异较大。按无机磷浓度由低到高的顺序, 绘制各采样点对应的浮游植物和浮游动物的密度曲线, 结果如下图。

据图回答:

分析发现, P1、P2采样点浮游植物种类差别非常明显, 从进化角度分析, 这是_____的结果。

解析:生存下来的生物是与环境相适应的, 不同生物对无机磷浓度不同的适应能力不同, 这是自然选择的结果。

答案:自然选择

四、沙场点兵

1. (2012·山东德州一模) 亲缘关系较远的物种, 如果生存环境相似则会产生相似性状的演化, 这种现象被称为“趋同进化”。在“趋同进化”过程中 ()

A.不同生物的基因库趋于相同

B.自然选择对不同生物的影响效果相同

C.同一区域的不同物种之间不存在相互选择、相互影响

D.不同生物将演化为形态结构相似的同一物种, 从而打破生殖隔离

2. 某社区全部人口刚好男女各400人, 居委会

进行红绿色盲普查, 发现女性中有10人患色盲, 12名未生育女性是红绿色盲基因携带者, 18名色觉正常妇女的儿子患色盲, 男性中共有22人不能区分红色和绿色。那么, 这个群体中红绿色盲的基因频率为 ()

A.7.5%B.6%

C.约5.6%D.约8.1%

3. (2012·南昌一模) 现代生物进化理论是在达尔文自然选择学说的基础上发展起来的。现代生物进化理论对自然选择学说的完善和发展表现在 ()

(1) 突变和基因重组产生进化的原材料 (2) 种群是进化的单位 (3) 自然选择是通过生存斗争实现的 (4) 自然选择决定生物进化的方向 (5) 生物进化的实质是基因频率的改变 (6) 隔离导致物种形成 (7) 适者生存, 不适者被淘汰

A. (2) (4) (5) (6) (7)

B. (2) (3) (4) (6)

C. (1) (2) (5) (6)

D. (1) (2) (3) (5) (7)

4. (2012·济南模拟) 关于新物种形成的基本环节, 下列叙述正确的是 ()

A.种群基因频率的改变是产生生殖隔离的前提条件

B.同一物种不同种群基因频率的改变能导致种群基因库的差别变大, 但物种不进化

C.地理隔离能使种群基因库产生差别, 必然导致生殖隔离

D.自然选择过程中, 直接受选择的是基因型, 进而导致基因频率的改变

5. (改编) 下列观点不符合现代进化理论的是 ()

A.种群基因库间出现差异是产生生殖隔离的根本原因

B.物种的形成可以不经过隔离

C.自然选择通过作用于个体而影响种群的基因频率

D.自然选择的实质是选择种群的有利基因, 不决定新基因的产生

6. (2012·苏北四市三模) 大约一万年前, 某大峡谷中的松鼠被一条河流分隔成两个种群, 两个种群现在已经发生了明显的分化, 过程如下图所示。下列相关说法正确的是 ()

A.地球上新物种的形成都必须先经历a过程

B.b过程的实质就是定向改变种群的基因频率

C. (1) ～ (6) 只能表示物种形成过程中基因突变是不定向的

D.品系1和品系2种群基因库出现了较大差异, 立刻形成物种1和物种2

7. (改编) 下图所示, 某地生活着a1、a2、a3、a4不同的种群。下列说法中, 错误的是 ()

A.a1、a2、a3、a4之间可能存在着生殖隔离

B.a1、a2、a3、a4之间可能存在捕食关系

C.此地生物所含的全部基因构成基因库

D.a1、a2、a3、a4之间可能存在竞争关系

8. (改编) 右图表示长江沿岸的一山脉中某种两栖动物3个种群的分布。在夏季, 种群A与B、种群A与C的成员间可以通过山脉迁移。随着经济的发展, 在种群A和B的栖息地之间建了矿, 在种群A和C的栖息地之间修了路。请预测B种群的发展趋势 ()

A.建矿之后, 种群B不可能消失

B.B与C存在地理隔离, 二者一定存在生殖隔离

C.经过长期进化过程, 种群B与A、C间可产生生殖隔离, 形成新种

D.只要B的基因频率与A和C的不同, 就一定进化为新的物种

9. (改编) “超级病菌”是一种耐药性细菌, 抗生素药物对它不起作用。科学家研究发现, “超级细菌”的产生是人类滥用抗生素的结果。右图表示抗生素的使用与细菌数量的关系, 有关叙述中错误的是 ()

A.细菌与抗生素发生了共同进化

B.C点时细菌的种群抗性基因频率增加, 则一定发生了进化

C.细菌抗药性的产生是人们使用抗生素的结果

D.抗生素的使用导致B点细菌数量较少

1 0. 下图1显示了某种甲虫的两个种群基因库

的动态变化过程。种群中每只甲虫都有相应的基因型, A和a这对等位基因没有显隐性关系, 共同决定甲虫的体色, 甲虫体色的基因型和表现型如图2所示, 请据图回答下列问题。

(1) 不同体色的甲虫体现了生物多样性中的_____多样性。

(2) 在种群中出现了基因型为A′A的甲虫, A′基因最可能的来源是_____。该来源为生物进化_____。A′A个体的出现将会使种群基因库中的_____发生改变。

(3) 图中箭头表示通过迁移, 两个种群的基因库之间有机会进行_____。由此可知, 种群1和种群2之间不存在_____。

(4) 根据图1两个种群中不同体色的甲虫分布比例, 可以初步推测出处于工业污染较为严重的环境中的是种群_____, 该环境对甲虫的生存起到了_____作用。

1 1. (2012·湖南十二校联考) 某生物种群中AA、Aa和aa的基因型频率分别为0.3、0.4和0.3, 请回答:

(1) 该种群中a基因的频率为_____。

(2) 如果该种群满足四个基本条件, 即种群非常大、没有基因突变、没有自然选择、没有迁入迁出, 且种群中个体间随机交配, 则理论上该种群的子一代中aa的基因型频率为_____;如果该种群的子一代再随机交配, 其后代中aa的基因型频率_____ (会、不会) 发生改变。

(3) 假如该生物种群中仅有Aabb和AAbb两个类型个体, 并且Aabb∶AAbb=1∶1, 且该种群中雌雄个体比例为1∶1, 个体间可以自由交配, 则该种群自由交配产生的子代中能稳定遗传的个体所占比例为_____。

(4) 假定该生物种群是豌豆, 则理论上该豌豆种群的子一代中AA、Aa的基因型频率分别为_____、_____。

1 2. 蚱蜢属于无脊椎动物, 昆虫纲, 直翅目, 蝗科, 危害禾本科植物, 多分散在田边、草丛中活动。生活在绿草丛中的蚱蜢多为绿色, 生活在干草丛中的蚱蜢多为黄褐色。为证实两种体色的蚱蜢因环境不同而数量比例不同, 进行了如下探究。请完成下列探究方案。

(1) 假设:_____。

(2) 实验步骤: (1) 选择绿草丛区A和_____区B。

(2) 收集蚱蜢, 并在翅下用有色颜料分别标记绿色蚱蜢和黄褐色蚱蜢若干。

(3) _____。

(4) 一段时间后捕捉蚱蜢, 记录、统计结果。

(3) 实验结果如下表。根据表内数据绘制A、B两区域不同体色蚱蜢回收率的柱形图。

(4) 结论:_____。

(5) 分析与评论:

(1) 由于季节的变化, 使绿草丛区变为干草丛区, 从这个角度解释上述实验结果:_____。

(2) 已知蚱蜢的体色由常染色体上一对等位基因控制。为了进一步探究蚱蜢的绿色与黄褐色的显隐性关系, 有人将一对绿色蚱蜢与黄褐色蚱蜢杂交。F1中绿色蚱蜢与黄褐色蚱蜢的数量比为1∶1。

请利用F1的蚱蜢, 在此基础上设计遗传实验完成探究。

A.实验步骤:_____。

B.结果与分析:_____。

参考答案

1.B 2.B 3.C 4.A 5.B 6.B 7.C 8.C9.C

10. (1) 遗传

(2) 基因突变提供原材料基因频率

(3) 基因交流地理 (生殖) 隔离

(4) 1选择

11. (1) 0.5

(2) 0.25不会

(3) 5/8

(4) 0.4 0.2

12. (1) 在绿草丛区, 绿色蚱蜢数量占优势;在干草丛区, 黄褐色蚱蜢数量占优势

(2) (1) 干草丛 (3) 将标记的不同体色的蚱蜢分别释放到上述两地区中

(3) 如下图:

(4) 在绿草丛区, 绿色蚱蜢数量占优势;在干草丛区, 黄褐色蚱蜢数量占优势

(5) (1) 绿草丛区和干草丛区的草颜色不同, 使生活在其中的不同体色的蚱蜢被鸟类捕食的概率不同, 导致它们的存活率不同 (2) A.选择F1的雌雄绿色蚱蜢杂交, 观察、记录后代的体色B.若后代出现黄褐色蚱蜢, 则绿色为显性性状;若后代全部是绿色蚱蜢, 则绿色为隐性性状

生物进化及定点突变的研究方法 第7篇

关键词：生物进化,基因突变,定向进化

0 引言

地球上的生命已经生存了38亿年，自原始生命诞生开始，就不停的变化、演进、延续，进入一个漫长而无终止的过程。生命进化历程经历了冥古代，太古代，元古代，古生代，中生代和新生代。相应的生命进化理论包括，“用进废退”、“获得性遗传”的早期进化论，“物竞天择，适者生存”的达尔文进化论，包括“突变，遗传平衡，隔离”的现代综合进化论，“突变压和随机漂变”的中性突变学说[1]。

生命体的进化总是从简单到复杂，从低级到高级，包括无细胞结构的病毒的进化，原核和真核微生物的进化，植物的进化，动物的进化，人类的进化。自然界的任何物种都存在变异，变异是生物适应环境和维持生存的一种重要方式，是进化的规律。任何一种生物体都想使自身物种尽可能多、尽可能长久的繁衍生息、子孙绵长，因此，生物不断地随着自然环境的变化而变化，以达到最大限度的适应性生长。因而生物通过突变和自然选择处于不断进化之中。

在漫长的系统发育过程中，突变为生物进化提供了材料。而目前采用分子生物学实验手段，构建突变基因，研究生物的定向进化。本文综述了已采用的定向进化的实验方法，从而为定向突变的研究提供技术支撑。

1 生物进化

1.1 病毒的进化

病毒通过基因突变（自发突变和诱发突变）, 染色体畸变（转入，插入，缺失，重组，重排等）和自然选择，实现了病毒的多样性和进化。一般，DNA病毒通过与宿主共同进化的方式生存，而RNA病毒则采用选择多种宿主，当一种宿主面临危险时，转移到另一种宿主中复制增殖的方式生存[2]。

1.2 微生物的进化

1.2.1 原核微生物的进化

一些微生物通过共生、寄生等种间关系与其他生物生存在一起，实现协同进化。这种宿主-微生物间的相互作用是生物进化的动力。进化主要表现在微生物和宿主基因组上共同发生适应性的变化。

1.2.2 真核微生物的进化

真核微生物中的真菌是生态系统中的分解者。由于要适应不同的环境，因而行不同的生活方式，如：寄生、腐生和共生生活，实现了其自身的进化。

1.3 植物的进化

现存的植物种类至少有40多万种，经历了由水生到陆生，由无胚的低等植物到有胚的高等植物的进化过程。不能离开水的植物———真核藻类植物；过渡性的陆地植物———苔藓植物；正的陆生植物——维管植物。

1.4 动物的进化

动物的进化同样经历了一个漫长的过程。动物由原生动物进化到后生动物，由无脊椎动物进化到有脊椎动物。动物的进化使其形成复杂的种内、种间关系，如种内关系中性选择、婚配制度、领域和社会等级、集群生活；种间关系中竞争、捕食、寄生、共生。

1.5 人类的进化

人类的进化伴随着对各种环境因素的适应，包括温度适应性进化、紫外辐射适应性进化、日照时间的适应性进化、降水的适应性进化、低压性缺氧的适应性进化、环境病原体的适应性进化、环境来源的适应性进化等[3]。

2 定向进化的实验方法

2.1 辐射诱变

辐射诱变中最常用的方法是紫外线诱变。紫外线可使相邻的两个嘧啶碱基形成嘧啶二聚体，导致DNA双螺旋发生弯曲和纽结，直接影响DNA的复制和转录中碱基的配对。此诱变效率高，但易造成损伤。

2.2 化学诱变

2.2.1 碱基类似物

5-溴尿嘧啶酮式是胸腺嘧啶的类似物，它可与腺嘌呤配对，而其烯醇式与鸟嘌呤配对。2-氨基嘌呤作为腺嘌呤的类似物与胸腺嘧啶配对，当发生质子化后又可与胞嘧啶发生错配。它们都在DNA合成时取代正常碱基掺入DNA分子中，参与DNA复制，引发突变。

2.2.2 碱基修饰剂

碱基修饰剂包括烷化剂和脱氨基剂。烷化剂如乙基甲磺酸，亚硝基胍等，脱氨基剂如硝酸及其盐。这些诱变剂不掺入DNA而是直接通过改变碱基，造成特异性的碱基错配。

2.2.3 DNA嵌入剂

原黄素、吖啶橙等染料，可以嵌入DNA的碱基对之间，造成其碱基对发生倾斜，并在嵌入位置导致单核苷酸对的插入或缺失，引起移码突变。

2.3 定点突变

2.3.1 寡核苷酸诱导的基因定点突变

将某基因克隆到质粒载体中，人工合成含有突变位点的一对引物，使该突变位点位于引物中心附近，两端有足够的序列以保证其配对，进行PCR扩增[4]。

2.3.2 依赖聚合酶链式反应（PCR）的体外诱变

包括易错PCR法、DNA改组、交错延伸、DNA家族改组、RD-PCR重组、凌乱法、临时模板随机嵌合技术、单链DNA介导的家族改组、融合PCR，通过以上方法均可实现定向进化[5]。

3 结论与展望

任何生物体都处于不断地发展变化之中，进化是必然的结果。分子生物学为定向进化的研究提供了强有力的实验手段与方法。但其也存在着问题，例如在偶然性的作用下，DNA突变也会朝着不利于人类进化的方向进行，一旦这些突变逃脱机体免疫系统的控制，就会造成癌症的发生。这就要去科研工作者要不断的改进实验方法，筛选有利突变，避免有害突变，以求为人类科学进步做出更大的贡献。

参考文献

[1]闫桂琴.生命科学导论[M].北京:北京师范大学出版社, 2010, 13-17.

[2]丁铲.病毒的进化[J].疫苗与免疫-兽医导刊, 2011, 10:48-49.

[3]季林丹, 徐进, 张亚平.人类群体环境适应性进化研究进展[J].科学通报, 2012, 2-3 (57) :112-119.

[4]戴灼华, 王亚馥, 栗翼玟.遗传学[M].第一版, 北京:高等教育出版社, 2008:311-312.

生物进化树 第8篇

此项研究的对象是加州水蚤,体长约一毫米,类似虾状,生活在从阿拉斯加到墨西哥下加利福尼亚海岸边岩石地带的潮池里。在实验室研究中,加州水蚤几乎没有表现出可以进化出耐热性的能力。论文第一作者、加州大学戴维斯分校研究生摩根·凯利(Morgan Kelly)从俄勒冈州到下加利福尼亚的8个不同地点采集了样本,然后让这些生命周期很短的水蚤在实验室里繁殖了10代,并在培育过程中不断增加环境温度,从而筛选出更加耐热的个体。

里克·格罗斯伯格(Rick Grosberg)说:“有假设认为,分布广泛的物种有很多遗传能力可加以利用,但这项研究表明情况可能不是这样。”

生物进化树 第9篇

关于拉马克的进化学说, 用提问的方式引导学生评说其要点内容和局限性, 然后由教师指出拉马克的进化学说是达尔文学说之前影响最大、最为系统的进化理论;达尔文的自然选择学说是本课教学的中心。现代生物进化理论是以自然选择学说为核心, 综合了生物学各学科的成就和多种生物进化因素建立起来的, 因此, 达尔文的自然选择学说是学生理解现代生物进化理论由来的关键。

设计思路:A.通过投影片段引入本课;B.学生通过自学掌握拉马克进化学说;C.投影录像, 并结合长颈鹿的进化探讨达尔文自然选择学说;D.自学并讨论达尔文自然选择学说的贡献和局限性。教师自制多媒体课件, 主要是播放与自然选择学说内容的资料及与课文相关的图片, 以激发学生兴趣, 增强感性认识, 并利用图文交替的形成使学生头脑中呈现出一个完整的生物进化过程。

二、教材分析 (教学内容和地位)

本章课程的核心是介绍现代生物进化理论。生物进化理论的发展和其他科学理论的发展一样, 不是简单的新理论对旧理论的否定和排斥, 而是新理论对旧理论的修正、深入和扩展。从拉马克的进化学说到达尔文的自然选择学说, 以及现代进化理论的由来, 大体都走过了这样的轨迹。这些应该成为处理本课教学内容的基本脉络。本课内容包括:拉马克的进化学说、达尔文的自然选择学说和达尔文以后生物进化理论的发展, 其中重点是达尔文的自然选择学说。同时, 本节课通过现代进化理论的完善, 即从性状水平到基因水平、从个体到种群为生物进化的基本单位, 为下一节课学习种群基因频率的改变与生物进化提前埋下伏笔。

三、学情分析

学生在初中八年级下册学习过生物进化的有关内容, 知道达尔文的自然选择学说, 但是对于自然选择学说的要点已经遗忘, 而且对拉马克进化论、达尔文进化论的贡献及其局限性尚不了解。因此, 介绍生物进化理论的发展过程, 分析拉马克和达尔文进化理论的重要贡献与历史局限性, 有助于学生理解科学不是一个静态的体系, 而是一个不断发展的动态过程。

四、教学目标及重难点分析

根据对以上教材内容、学生情况的一系列分析, 考虑到本课内容知识层面较高, 而探究合作能力层面要求稍低, 因此本节课要在传授知识的同时, 让学生尝试自己进行科学探究的活动过程, 体会将所得到的知识应用到问题解决上的成功。

1. 教学目标 (1) 知识目标

(1) 举例说出达尔文之前, 人们是怎样看待生物进化的。

(2) 概述达尔文的自然选择学说的主要内容。

(3) 评述达尔文自然选择学说的贡献和局限性。

(2) 能力目标

(1) 通过对感性图文资料的学习, 培养学生的信息处理能力。

(2) 通过学生的探究活动解决问题, 运用生物进化观点解释一些生物现象, 培养学生知识迁移的能力。

(3) 情感态度与价值观目标

(1) 通过探究活动, 使学生形成生物进化的观点。

(2) 通过探讨生物进化观点对人们思想观念的影响, 培养学生辩证唯物主义观点。

2. 教学重难点

根据对教材内容、学生情况的分析以及教学目标的确定, 认为本节课的重点是通过怎样的探究活动, 让学生理解达尔文自然选择学说的主要内容, 并在此基础上分析生物进化的原因, 从而认识到该学说的贡献;而难点在于如何理解达尔文自然选择学说的局限性。

五、教学媒体选择

达尔文自然选择学说的内容涉及很多自然科学的发现及总结, 因此本节课将结合课本中的图片以及其他的相关资料, 采用PPT制作课件给学生提供一个学习的平台, 进行探究教学。

六、教法和学法的设计

生物学课程标准倡导的教学理念是面向全体学生, 培养学生的生物科学素养, 倡导探究性学习。根据以上的教学理念, 结合以上对教材内容和学生情况的分析, 确定如下的教法和学法。

1. 教法设计

以自主性和探究性为学生学习的基本方法, 培养学生自主学习的能力。本节课将采用“自主学习———分组探究———讨论总结”的教学模式, 以多媒体为教学手段, 通过展示资料和图片, 引导学生合作讨论各生物进化理论的进步性和局限性, 并且进行归纳与总结, 让学生形成相关的概念图。

该教学模式的基本程序为:情境引入———自主学习———合作讨论———再次分组探究———概念图总结———课后反馈。

2. 学法设计

现代教学思想特别强调注重学生的主体作用, 重视学生的学习方法, 因为教学的目的不仅要让学生学会, 而且要让学生由学会变为会学。本节课引导学生掌握和运用“作讨论———分组探究”学习方法, 让学生通过对有关资料、图片的观察与讨论, 形成各种不同认识交流和争论的局面, 以激发学生的思维火花, 在学习过程的交锋中取长补短、相互矫正。

七、教学过程设计

1. 创设情境, 以问题导入新课

教师利用课件, 展示由单细胞生物到人的生物进化过程的图片, 并且让学生根据已有的知识, 说说现在地球上现有的200多万种生物是怎样形成的。通过这个问题情境的创设, 激发学生强烈的求知欲, 从而引导学生思考“这些生物到底是怎样演变的呢”, 激起了学生主动探究的热情, 而这个问题就是本节课所学的主要内容。

2. 问题探究

生物进化的理论是由谁首先提出来的?

(1) 拉马克的进化学说

(1) 屏幕展示拉马克的人物及介绍, 并看书思考以下问题:拉马克进化学说的主要内容和意义是什么?生物进化的主要原因是什么?该理论有没有局限性?

教师通过这一系列的问题串, 让学生带着问题去学习和思考, 自主阅读课本, 总结拉马克进化学说的内容和意义;关于拉马克进化学说的局限性, 对于学生来说相对稍微难了一些, 可由学生分组讨论交流, 最后总结。

(2) 举例说明此观点。

课件展示长颈鹿, 设置问题:如何利用拉马克的观点解释长颈鹿为什么脖子长?

通过这个问题, 培养学生整合信息、应用知识的能力。

(3) 相关练习。

下列表述中哪一项不是拉马克的观点 () 。

(A) 生物的种类是随着时间的推移而变化的;

(B) 生物的种类从古到今是一样的;

(C) 环境的变化使生物出现新的性状, 并且将这些性状遗传给后代;

(D) 生物的某一器官发达与否取决于用与不用。

通过相关练习, 使学生进一步理解拉马克的进化理论。

【链接】拉马克的进化论提出以后, 并没有引起社会的重视。就连达尔文在开始他著名的5年航海旅程时, 也还认为物种是不变, 而且都是神创造的。后来, 他又通过大量观察和思考提出了“自然选择学说”。

(2) 达尔文的自然选择学说

屏幕展示达尔文的图像, 航海途径以及有关达尔文相关内容。

播放四段关于自然选择学说的录像, 诱导学生思考观察, 并提出以下相关的问题。

(1) 每一段录像说明了自然选择学说的什么内容?

(2) 哪项内容是生物生存的条件?哪项内容是生物生存的手段、动力?哪项内容是生物生存的基础、内因?哪项内容是生物生存的结果?

(3) 生存斗争中包括几方面?哪种最为剧烈?

通过录像形象而直接地阐述达尔文自然选择学说的内容:过渡繁殖、生存斗争、遗传变异、适者生存。其中过渡繁殖是生物生存的条件, 生存斗争是生物生存的手段、动力, 遗传变异为基础, 适者生存为生物生存的结果。四个内容环环相扣, 学生易懂而又印象深刻, 使本来枯燥无味的内容变得丰富多彩, 把理性知识通过感性认识来潜移默化。

3. 合作讨论, 分组探究 (1) 观点比较

教师运用课件再次展示远古长颈鹿和现代长颈鹿的对比照片, 并设置问题:利用达尔文的自然选择学说的观点解释长颈鹿为什么脖子长?

相同的问题、不同的学说给予不同的解释, 教师引导学生通过比较, 为下面拉马克与达尔文两者观点的比较作铺垫。

教师最后通过课件的形式展现长颈鹿的进化过程, 并通过对课本中图示的达尔文自然选择学说的解释模型, 引导学生学会利用自然选择学说解释一些生物现象, 使课本的知识得以迁移运用。

教师再次设置思考讨论题:达尔文的自然选择学说是否否定了拉马克的观念呢?如何评价达尔文的自然选择学说? (贡献和局限性)

教师采用这样的教学方式让学生学会独立思考, 并学会从课本提炼知识、归纳知识, 懂得生物进化理论的发展不是新理论对旧理论的否定和排斥, 而是新理论对旧理论的修正、深入和扩展。

【链接】达尔文提出自然选择学说已经过去100多年, 在这100多年期间, 生物科学得到了飞速的发展。那么, 现在生物进化理论又对达尔文的自然选择学说进行了哪些修改呢?

(2) 达尔文以后进化理论的发展

问题:现在生物进化理论对达尔文的自然选择学说进行了哪些修改呢?

本知识点内容很少, 所以, 教师可以通过一个问题引导学生看书, 相互讨论得出答案。接着, 教师加以点拨, 为第二节课教学现代生物进化理论的主要内容做好铺垫。

4. 概括总结

教师通过课件的形式, 将这节课的基本框架展现到屏幕上, 让学生在头脑中建构出本节课学习的思路框架, 尤其是拉马克———用进废退;达尔文———物竞天择、适者生存等概括性语言不可缺少。然后, 教师拿出5分钟左右的时间, 让学生消化回顾, 最终达到当堂的知识当堂巩固的目的。

5. 反馈运用

生物进化的10个伟大瞬间 第10篇

生命起源1970年对加拉帕戈斯群岛海底断层中涌出物质的观察,使人们掌握了生命起源的最初线索。7年后,一个美国科考队在这里发现了丰富的生物资源和由含有大量金属硫化物的热液形成的“烟囱”。被“烟囱”过滤的海水携带有大量矿物质和气体。一些能在超过100℃的环境下存活的细菌可以从这些海水中提取氢元素,并用二氰化碳合成有机物。或许最初的生命体并不是在达尔文设想的“原始汤”中形成的某个细胞,而是在地球深处的矿物质迷宫中孕育而成的。

复杂细胞结构细菌和古菌等单细胞生物,或许是30亿年间地球上仅有的统治者。很难理解结构简单的原核生物如何变出动物和植物真核细胞等复杂的细胞结构。原核生物和真核生物的主要差别在于细胞核。一种普遍接受的观点认为,原核生物变成真核生物是具有不同功能的细菌间互相交换基因物质的过程。有人说,真核细胞是细菌和古菌融合产生的,其中,源自好氧细菌的线粒体是关键。线粒体是细胞的动力中心,虽然能够保存遗传物质,但似乎并不是储存基因的最佳场所。于是,真核细胞发明了细胞核储存遗传分子,而线粒体则用来确保细胞的能量供应。

基因密码英国生物学家弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森于1953年完成了达尔文提出进化论以来最伟大的生物学发现:确定DNA的双螺旋结构。这一发现加快了破译生命链条运作奥秘的进程。过去人们认为DNA是基因密码的来源,但最新研究指出,基因密码取决于比DNA更短,而且是单链结构的RNA。当细胞需要发挥功能,即合成某种蛋白质时,DNA会转录合成“信使”RNA,然后由“信使”RNA在核糖体中合成蛋白质。而另一方面,DNA进行复制时又不能缺少某种特定蛋白质。先有DNA,还是先有蛋白质?20世纪80年代发现DNA可以同时承担DNA和蛋白质的功能后,这个问题最终得到了解决。但RNA又是从何而来?最新生化理论指出,深海热液形成的“烟囱”周围可能具备形成最初的核苷酸的条件。RNA和DNA都是由核苷酸组成的,但DNA比RNA能更可靠地储存基因。只有把RNA转化为DNA,生命循环才能开始,其中还需要一种逆转录酶发挥作用。

光合作用我们的星球之所以是绿色的,是因为植物叶子中含有一种叫做叶绿素的色素。这是一种进行光合作用不可或缺的物质。它能在太阳光的帮助下,把无机物二氧化碳变成有机物葡萄糖,同时释放出氧气。整个过程是在叶绿体中进行的。叶绿体的祖先是蓝菌。早在30亿年前,它们就开始使用一种光合作用物质分解水,获取能量和养分。后来,控制这种色素的基因增加了一倍,形成了两套光合作用系统。现代植物和藻类拥有两类不同的叶绿素,但蓝菌从不同时使用两套系统。蓝菌的第二套光合作用系统会释放出多余的电子,这些电子被叶绿素吞掉后,会导致光合作用进程受阻。

视觉最早的眼睛化石历史可以追溯到5.4亿年前的寒武纪。科学家们无法解释那个时期的地球为什么突然充满了复杂的生物。但他们认为,视觉的“发明”造就了寒武纪生命大爆发这一进化史上的大事。眼睛的形成方式不止一种,如三叶虫的眼睛是由方解石构成的,哺乳动物选择了蛋白质晶状体,但共同点是都含有一种叫视紫红质的感光色素。视紫红质有两项生理功能:形成视力和调节生命体的昼夜节律。那么第一种有眼睛的生物是什么呢?也许是一种使用包括视紫红质在内的色素测定光照强度的藻类。它们应该是最早有能力发现周围光照变化的生物。

性性的起源和延续是现代生物学最难解释的问题之一。据经验判断,无性生殖更方便,通过一分为二繁衍后代,不必耗费能量寻找伴侣。在有性生殖中,精子和卵子结合,形成一个新细胞,开始DNA复制和减数分裂。虽然看似并非最佳繁衍方式,但几乎所有真核细胞生物都在进行这种形式的有性生殖。因为对它们而言,独身是糟糕的,会不可避免地导致灭绝。或许有性生殖是这样出现的:一小撮细胞不再克隆自己,而是开始像细菌一样混合基因,使后代开始积累好的变化并受益良多。

运动运动是生物进化中的重要步骤,是基因和物种历史上一项重要变化。在2.5亿年前的二叠纪末期,出现了可以把化学能转换为动能的肌肉组织。在肌动蛋白和肌球蛋白的作用下,肌肉细胞可以进行有节奏的收缩。参与细胞运动的还有一类叫做驱动蛋白的蛋白质家族。这些蛋白质的祖先都来自细菌。大部分现代细菌通过渭行、收缩或借助鞭毛进行运动。尽管现在仍不知道真核细胞是如何具备运动能力的,但可以肯定,如果不具备改变自身位置的能力,它们早就灭绝了。

温血动物温血是一项优点很多的“发明”。一只鸟产生的热量是同等大小乌龟产生热量的10～15倍,而后者不得不通过晒太阳维持体温。蜥蜴能够比哺乳动物跑得更快,但冲刺后必须休息数小时才能恢复透支的体力。冷血动物(即变温动物)可以通过无氧呼吸迅速释放能量,但由于新陈代谢速度慢,往往无法持久。而温血动物(即恒温动物)消耗的氧气和能量虽然多,但效率更高。面对饥饿,温血动物能够坚持的时间短,但它们更具活力,抵抗力更强,脑容量更大。

温血动物和冷血动物的祖先生活在2.5亿年前开始的三叠纪。如果不是因为食草动物出现,或许永远不会有温血动物。以植物为主要食物和温血之间的关系可能取决于氮元素。由于植物比肉类的氮含量低,而氨是组成蛋白质的基本物质,为了获取足够的氮,食草动物必须大量摄取植物,但这导致了碳摄取量过火的问题。最好的解决办法是把碳燃烧掉,于是有了更快的新陈代谢,温血动物就这样出现了。

意识未满1岁的婴儿就能认出镜子中的自己,这就是困扰很多人的意识问题。大脑是进化的产物,但非物质的意识从何而来?神经学家把意识分成密切相关的原始意识和延伸意识两类。原始意识与情感和感知有关,来自大脑获取的各种信息。延伸意识与文化及抽象思维有关。我们大脑中的各个区域通过神经纤维网联系在一起。当我们接触到某种事物时,大脑的不同区域会协调行动,对其进行捕捉和再现。也就是说,第一种意识收集各种信息,重建当前的情景,第二种意识结合记忆和语音,为每条信息赋予意义,并添加到过去和未来的框架内。

生物进化树 第11篇

近些年来,在理论和实际应用中优化问题随处可见,同时随着问题复杂程度的提高对优化技术也有了非常高的要求。传统的优化方式(如梯度下降法、迭代法等)[1]在解决这些问题时,显现出其局限性与缺陷,所以更多的学者对复杂函数的优化问题的研究集中在分析现有生物智能进化算法[2],这些算法在解决这些复杂函数的优化问题时具有操作简便、易于实现及计算量小等一系列的优点,可以看出现代生物智能进化算法应用于复杂的函数优化问题的研究具有重要的意义。

2 函数优化的问题描述

函数优化问题[4]主要是对较为复杂的函数进行优化。函数优化的本质是通过迭代发现一个目标函数的最优解。一般情况下,搜索的目标都是通过对目标函数的“函数”进行优化,通常所描述的函数特征通常包括函数的连续性、离散性、线性、非线性、凸凹性等。对于有约束条件的函数优化问题可以利用设计专门算子使问题解始终保持可行,或者通过采用惩罚函数的方式把它转化为无约束问题,因此主要以无约束条件的函数进行优化作为研究重点。一般的函数优化问题可以描述为如下形式[3]:

其中S为搜索空间;f(x):S→Rn成为目标函数;式(1)中描述的是目标函数的极大值,式(2)描述的为极小值。通常最大值和最小值问题之间是可以相互转化的,最大值问题的目标函数取负就成了极小值,反之亦成立。

3 函数优化问题中的常用的生物智能优化算法研究现状

3.1 遗传算法

3.1.1 遗传算法的概述

遗传算法[5](Genetic Algorithms简称GA)是模拟遗传选择和优胜劣汰的生物进化过程的一种随机搜索与全局优化算法。遗传算法具有运算快捷、简便、适用范围广等优点,并且在搜索过程中并不直接作用在变量上,而是在参数集对个体进行编码,这个特点能够使遗传算法可直接对结构对象进行操作。

遗传算法的基本流程如下图所示:

但该算法在函数寻优中也存在无法保证收敛到全局最优解,群体中适用度高的染色体可能会丢失,在进化过程中过早的收敛等一系列的问题,所以许多学者通过利用一种算法的优点同时与其它方法相结合来避免该算法的不足,借鉴这一思想来求解函数优化问题具有更大的发展潜力。

3.1.2 基于函数优化的遗传算法的现阶段研究现状

针对使用遗传算法对函数优化过程中存在早熟收敛、全局收敛能力较差及对目标函数的性质(可导性、连续性等)有较高的要求等问题,李宏[6]等人将简化的二次插值法融入实数的编码遗传算法中(含有二次插值法的遗传算法)。在文中,二次插值法作为一个局部搜索算子,构成适于求解函数优化问题的混合遗传算法,此混合算法从理论上能够提高算法的搜索能力,并能快速向全局最优解靠近。为了对混合算法的性能进行评估,对多个测试函数仿真实验,证明该方法能够克服遗传算法具有的早熟收敛、全局收敛能力较差及对目标函数的性质有较高的要求等问题。

尽管含有二次插值法的遗传算法在搜索效率上较大的提高,但此混合算法在进化后期仍然存在收敛速度慢、易早熟收敛的问题,为避免此类问题降低函数优化的质量,薛文涛[7]等人提出以免疫学习机制[8,9]为基础的遗传算法(基于免疫学习机制的遗传算法),为了保持种群的多样性,引入以浓度为基础的选择机制,改善算法的全局收敛能力。文中提出弱小保护策略,从而更高效地找到全局最优解。仿真实验表明,对复杂函数进行优化时,以免疫机制为基础的遗传算法要比遗传算法及二次差值法的遗传算法有更高的搜索效率,并能在搜索后期提高收敛速度。

自适应控制是一种能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统,并通过控制使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。为解决遗传算法求解函数优化问题中普遍存在的问题,张常泉[10]等人提出一种自适应遗传算法,该算法根据适应值大小自动调节参数,在运算的前期、运算过程中及运算后期,分别在不同的阶段采用不同的策略对交叉算子和变异算子进行自适应调节,从而能够保持群体的多样性、能达到对优秀的个体的保留和增加收敛的稳定性等一系列优点。并通过对函数优化问题中的两个函数最大值的快速求解证明该改进算法的有效性。

小生境技术[11]主要借鉴生物种群生存环境的多样性特性,具有使一般的进化算法发现多个最优解的优点。由于对自适应遗传算法的改进无法有效平衡快速收敛和保持种群多样性的冲突,并针对多模态函数优化问题,陆青梁[12]等人提出一种自适应小生境遗传算法。在该算法中,设计一种改进的小生境识别方法来确定小生境范围,引入度量种群多样性的小生境熵概念,并利用小生境熵自适应调整进化参数的取值,同时在识别的小生境基础上将交叉分为境外交叉和境内交叉来提高算法的全局搜索能力和局部收敛速度。通过仿真实验结果验证本文提出的算法的正确性和有效性,并且该算法在解决多模态函数优化问题具有收敛速度快、计算量小等多个优点。

3.2 以蚁群算法为基础的函数优化问题研究现状

3.2.1 蚁群算法的概述

蚁群算法[13](Ant Colony Optimization,ACO)由意大利学者M.Dorigo[14]于二十世纪九十年代提出,它源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。蚁群算法的鲁棒性较好、全局搜索能力较强,针对函数的不连续、不可微、局部极值点过密等情况具有较好的解决能力,基本的蚁群算法可以通过以下几个式子来表示:

三式中m代表蚂蚁的数量;n为迭代次数;i代表蚂蚁所在的位置;j表示蚂蚁可以到达的位置;Λ表示蚂蚁可以到达的所有位置的集合;ηij代表启发性信息;kL为目标函数;τij表示由i到j的路径的信息素强度;α和β为路径权和启发性信息的权;ρ和Q分别为路径上信息素数量的蒸发系数和信息素质量系数;jPik表示第k个蚂蚁从位置i移动到位置j的转移概率。

蚁群算法在计算过程中有以上优点,但它也存在如计算时间较长、容易出现停滞现象、局部搜索能力较差、搜索初期积累信息素时间过长、求解速度较慢等缺点,由于以上缺点的存在,当再利用该算法对复杂函数优化时其结果也不会另人满意,所以许多学者在蚁群算法的基础上进行改进。

3.2.2 基于函数优化的蚁群算法的现阶段研究现状

对于蚁群算法在对函数优化过程中存在运算初期信息素匾乏,需要较长的搜索时间,并且当规模较大时容易陷入局部最优解等问题,熊伟清[15]等人将遗传算法和蚁群算法进行融合(称为二进制蚁群进化算法),在该算法中,采用二进制编码对单个蚂蚁的智能行为要求比较低,对应的存储空间相对较少,使得算法的效率有较大的提高,不仅适用于可以求解连续参数优化的问题,也适用于求解离散的组合优化问题。通过函数优化仿真实验结果充分说明该文给出的二进制蚁群进化是实用而有效的,求解结果是令人满意。

为进一步提高函数的寻优质量、算法的收敛速度、改善全局最优解的搜索能力及提高种群的多样性,张小广[16]等人在蚁群算法的基础上引入PBIL算法和遗传算法(基于PBIL算法及遗传算法为基础的蚁群算法)。在该文中,主要采用PBIL算法指导信息素的分布,同时根据信息素的散布来启发PBIL算法对概率模型的建立,从而信息素的散布模型概率和PBIL算法概率模型可以相互融合与并相互指导。此混合算法可以大大减少蚁群算法由于信息素的正反馈机制而造成容易陷入局部最优的缺陷。通过函数测试实验可以看出,该算法不仅能够克服遗传蚁群算法对函数优化过程中存在的常见问题,而且还具有很强的全局搜索能力,并在收敛速度方面也有很大的提高。

针对一般的蚁群算法在处理离散的函数优化问题时具有局限性和收敛速度慢等缺陷,李盼池[17]等人提出求解连续空间优化问题的量子蚁群算法。在该改进的算法中,每只蚂蚁携带一组表示蚂蚁当前位置信息的量子比特,根据信息素强度和可见度来计算其选择概率,决定蚂蚁的前进目标,之后采用量子旋转门更新蚂蚁携带的量子比特,从而实现蚂蚁的移动。通过对离散的函数极值和神经网络权值优化问题仿真结果说明该算法的有效性,同时也说明该算法是具有一定潜力并是值得推荐的优化算法。

3.3 粒子群算法

3.3.1 粒子群算法的概述

粒子群优化算法[18,19](Particle Swarm Optimization,PSO)是在模拟鸟群觅食过程中的迁徙和群集行为时提出的一种基于群体智能进化的优化算法[20]。

粒子群算法是在解空间中跟随最优粒子进行搜索的智能进化算法,所以具有计算简便、需要调节的参数、容易实现等优点。粒子群算法首先初始化粒子种群,之后通过迭代操作来寻找最优解,在每一次迭代操作中,粒子通过个体极值与全局极值更新其粒子的速度和位置:

其中:iv是第i个粒子的速度;ix是第i个粒子的位置;w是惯性权重;ip是第i个粒子经历的最好位置;g是群体所有微粒经历的最好位置;rand(·)是均匀分布在(0,1)之间的随机数;1c和2c是学因子。

标准的粒子群算法的基本流程如下所示:

第一步:粒子群初始化,其中包括对粒子群的速度和位置;

第二步:计算初始粒子群的适应度值;

第三步:根据粒子计算出的适应度值与其经历的最好位置相比较,如果优于经历的位置,则用其取代当前的最好位置;;

第四步:根据式(6)(7)更新粒子群的速度和位置;

第五步:判断是否满足终止条件(通常达到一个较好的适应度值或是满足迭代次数),若不满足条件则返回到第二步。

在对粒子群算法做进一步的研究过程中,许多学者发现当使用粒子群算法对复杂函数进行优化时存在搜索的初期收敛速度过快,而在搜后期却易于陷入局部最优,针对缺陷众多学者提出了对粒子群的改进方法。

3.3.2 基于函数优化的粒子群算法的现阶段研究现状

方伟[21]等人提出一种基于群体多样性控制的粒子群算法,该方法能够使粒子在收缩的状态下充分搜索,并能够在发散状态下飞离群体的聚集位置,在经历不断的收缩、发散过程中,能够保证群体能在较大的空间进行搜索,减少了粒子群算法在最优搜索过程中存在早熟收敛等现象。通过对多个标准测试函数的寻优实验结果表明,该算法在复杂优化问题中具有较强的全局搜索能力,而且比基本粒子群算法具有更好的性能。

对现有粒子群优化算法存在局部收敛和可调参数敏感等缺点,巩敦卫[2]等人提出一种新型粒子群优化算法,该新型算法通过分析社会个体对其环境的认知规律,来简化粒子更新公式,使粒子位置的更新只与粒子自身速度和它邻域内最优粒子位置有关。并以粒子速度划分为基础提出一种优势粒子速度小概率变异、劣势速度随机赋值方法。在文中通过优化几个典型测试函数,证明本文研究的新型粒子群优化算法在优化解的质量、算法收敛速度及鲁棒性等方面的性能都非常良好。

由于粒子群算法对函数优化过程中存在惯性权重自适应问题,杨帆[23]等人提出一种基于蚁群系统的惯性权重自适应粒子群算法(基于蚁群系统的参数自适应粒子群算法)。在文中,通过对惯性权重取值区间离散化,将惯性权重子区间作为蚁群算法的行动路径,根据各条路径上的信息素浓度与粒子的空间分布信息来选择路径,实现粒子进化搜索。通过对几个典型测试函数优化的仿真研究表明,该混合算法的惯性权重能随着算法搜索的进化而进行自适应进化调整,保证算法的全局寻优性能与局部搜索能力,提高算法的收敛速度及解的精度,从而进一步提高函数的寻优质量。

3.4 蜂群算法

3.4.1 蜂群算法概述

人工蜂群算法(Bee Colony Algorithm,BCA)是在2005年由英国学者D T Pham提出的一种基于蜜蜂群智能搜索行为的优化算法。蜂群算法的研究虽处于初级阶段,但由于具有其控制参数少、鲁棒性及其适应性较强、计算简洁等优点,已被越来越多的学者所关注。人工蜂群算法中重要有三个部分组成:即为引领蜂、跟随蜂、侦查蜂,这三个部分在不同的阶段起着重要的作用。引领蜂和跟随蜂依据公式(8)进行食物源位置更新:

选取概率iP由(8)式计算得出

式(9)中的fiti第i个解的适应度值,n为解的个数。式(10)为随机产生一个新的解来替代被淘汰的解。下面简要的介绍的人工蜂群算法的主要流程:

第一步:初始化种群为ix,i=(1⋅⋅⋅⋅⋅⋅n),同时计算出每个初始种群解的适应度值;

第二步:引领蜂根据公式(8)做邻域搜索产生新解vi,并且计算其适应度值;

第三步:把iv的适应度值与ix的适应度值做比较,考虑是否保留ix不变;

第四步:根据公式(9)计算与ix相关的概率值ip;

第五步:跟随蜂凭借ip选择食物源(解),并根据式(8)进行邻域搜索产生新解iv,计算其适应度值;

第六步:判断解的满意度,决定侦查蜂是否根据式(10)产生一个新解ix替换它;

第七步:保留当前最好解。

第八步:判断是否满足循环终止条件,如满足则输出最优结果,否则转回第二步。

与其他全局优化算法一样,传统的人工蜂群算法对复杂函数优化过程中也存在容易发生过早收敛及后期收敛速度较慢等问题。根据这些问题的出现有些学者对蜂群算法进行改进。

3.4.2 基于函数优化的蜂群算法的现阶段研究现状

罗钧[24]等人针对蜂群算法对函数进行优化过程中存在的常见问题,提出一种具有混沌搜索策略的蜂群优化算法,在该算法中对陷入局部最优值的雇佣蜂,使用禁忌表存储其局部极值,并引入混沌序列重新初始化。对于陷入局部极值的个体,同样使用混沌搜索进行处理,使得算法跳出局部最值,有效减少了迭代次数。通过对经典函数的测试计算表明,改进算法提高了蜂群寻优能力,在收敛速度和精度上均优于标准蜂群算法,对处理工程应用中的复杂函数优化问题有较好的效果。

为进一步提高以混沌搜索算法为基础的蜂群算法的函数寻优质量,并以种群收敛程度为依据,暴励[2,3,4,5]等人在其基础上增加自适应控制(自适应搜索空间的混沌蜂群算法),其基本思路是在原搜索区域的基础上,根据每次寻优的结果,自适应的调整搜索空间,逐渐缩小搜索区域,并利用混沌变量的内在随机性和遍历性跳出局部最优点,最终获得最优解。对文中的六个标准测试函数的仿真结果表明,该改进算法能有效地加快收敛速度,提高最优解的精度,尤其适合高维的复杂函数的寻优,其性能明显优于基本人工蜂群算法和以混沌搜索为基础的人工蜂群算法。

由于进化方式和选择策略的影响,使蜂群算法在快速收敛的同时,增加限入局部最优或早熟收敛的概率从而不能使函数寻优达到较好的效果,针对这些问题暴励[26]等人又提出一种双种群差分蜂群算法。该算法主要通过反向学习的策略初始化种群,使得初始化的个体尽可能均匀的分布在搜索空间,然后将种群中的个体随机分成两组,每组采用不同的优化策略同时进行寻优并通过在两群体之间引入交互学习的思想,来提高算法的收敛速度。使用标准测试函数的仿真实验表明,该算法能有效避免早熟收敛,并有效的提高全局优化能力和收敛速率。

4 基于函数优化的生物智能进化算法的研究展望

函数优化问题一直是近些年来众多学者所关注的热点问题,它的应用领域也十分广泛,并且在许多方面都已经发挥了巨大的实用价值。但以现阶段的研究可以看出,对于函数优化问题的研究目前还存在一些不足,并没有达到理想的效果,因此继续对求解函数优化问题的生物智能进化算法的研究有巨大的意义。考虑到目前对函数进行优化的生物智能进化算法存在的不足,应从以下几个方面对其进行改进:

(1)通过对现有生物智能进化算法的理论进行更深一步研究和掌握,强调对现有理论的认识从而对算法进行改进和进一步完善。

(2)现今组合的生物智能进化算法虽然收敛速度有较大的提高,但对于复杂的函数进行优化时并不是十分理想,所以用生物智能组合进化算法解决复杂函数优化问题的收敛速度还有待提高。

(3)由于对生物智能组合进化算法收敛性的研究需要着实的理论依据,即对其的收敛性分析需要进一步的理论研究。

(4)现今常用的生物智能组合进化算法一般都是一种或是两种生物智能进化算法的组合,在对函数进行优化过程中并不能达到理想的优化效果,因此可对多种生物智能进化算法进行组合,具有取长补短、优势互补的优点。

5 结束语

本论文主要对求解函数优化问题应用的生物智能进化算法进行概括。从目前的研究可以看出,很多学者采用融合的思想避免某单一生物智能进化算法所带来的问题。从近几年的研究的结果可以看出,通过对算法采用融合的思想能够对各类复杂的函数进行优化。本文还对求解函数优化问题的前景作出进一步的探讨和展望,对函数优化问题采用多种生物智能进化算法相结合的方式具有更加广阔的发展空间。

摘要：本文主要对求解函数优化问题所用的生物智能进化算法进行概述,同时还对求解函数优化问题的前景作出进一步的展望,可以看出求解函数优化问题采用多种生物智能进化算法相结合的方式具有更宽广的发展前景。