备课素材：不同种地雀形成过程 高一下学期生物人教版必修2

不同种地雀形成过程一百多年以前，达尔文乘坐贝格尔号船来到南太平洋加拉帕戈斯群岛考察。考察时那里的物种激发了他的灵感，最终使他创立了进化论，后人也将该群岛的一些独特鸟类命名为达尔文雀。那么，不同种地雀形成过程是怎样的？说明了什么？1835年9月16日，年仅26岁的达尔文乘坐英国皇家贝格尔号军舰，抵达南美岛屿加拉帕戈斯。船队原本打算只在这座不期而遇的岛屿做短暂休息，补充给养之后，继续踏上全球航线的征途。但是当船队踏上这座神奇的岛屿之后，达尔文对这里各种各样奇异的物种发生了浓厚的兴趣，在这里的研究和观察，最终促成了自然选择理论的形成。加拉帕戈斯群岛隶属于厄瓜多尔，也叫科隆群岛，位于南美大陆以西1000多公里的太平洋上，由13个大小不一的主要岛和19个岩礁组成，总面积超过7500平方公里。加拉帕戈斯群岛被称为“生物进化活博物馆”，由于封闭的环境，使得这里的动植物资源和种类与世界上其他地方迥异，根据统计，加拉帕戈斯群岛上80%的鸟类、97%的爬行动物和哺乳动物、30%以上的植物都是当地稀有的，在世界其他地方罕见。1.达尔文的研究成果1835年9月16日，达尔文乘坐的贝格尔号军舰抵达当地后，达尔文在此进行了长达1个多月的考察。通过比对当地的物种和南美毗邻地区的物种，达尔文发现了关于动植物资源和环境之间的秘密，最终得出了著名的“自然选择”理论。1859年，达尔文的名著《物种起源》发表，发售当天，2000册图书就被抢购一空。《物种起源》的发表，标志着达尔文生物进化论的最终形成，它对后世的哲学、生物学乃至社会学等发生了极其深远的影响。今天，自然选择和生物进化论，已经成为现代科学的基础。达尔文在《物种起源》中说：“在那遥远的加拉帕戈斯群岛上，一群小小鸟儿的可爱大嘴上，却藏着自然的奥秘。它如此引人入胜，又让人赞叹生命的奇妙。这是一个永恒的事业。”。其实，一开始达尔文对这些小鸟不太重视。在5周的停留时间里，他和同伴游历了伊莎贝拉岛、圣萨尔瓦多岛、圣克里斯托巴尔岛和圣玛丽亚岛，其间共采集了近70号达尔文雀标本。他采集的这些标本随后被送到了鸟类学家约翰·古尔德（JohnGould）手中。鸟类专家古尔德很快便得出结论，加拉帕戈斯群岛采集到的雀类标本实际上分属13个新种，尽管喙的形状差别很大，但这些鸟彼此之间具有很近的亲缘关系。最终他只在《贝格尔号环球旅行记》（TheVoyageoftheBeagle）当中描述了这些鸟及它们大小差异悬殊的喙（因此，我没有在《物种起源》中找到相关的描述）。实际上，确定地雀属这些鸟儿“达尔文”之名的，是另外一个鸟类学家——大卫·拉克（DavidLack）。拉克在加拉帕戈斯群岛呆了5个月之久，研究不同种达尔文雀的繁殖和觅食行为；后来又跑遍了世界上各地的博物馆和大学，找到了6千多个达尔文雀的标本，测量它们的喙和身形。1947年，拉克的书《达尔文雀》面世。这本书清晰地解释了当时已知的14个种（这也是某些资料认为是14种的缘由），是怎么演化出形式各异的喙的。以地雀为例，在同时有大、中、小地雀的岛上，3种鸟喙的大小都不重叠，对应着取食大小不同的种子。而只有中地雀和小地雀的岛上，它们喙的大小，却介于两种的正常值之间，这是因为这些地方只有一种食种子的地雀，在缺乏竞争者时，物种会拓展实际的生态位。从拉克之后，“地理隔离”和“生态位分化”成为了演化的常识。这些鸟的祖先是同一生活在地面上的小鸟，属于雀科，以吃种子为生。在各个岛屿上，雀类已经适应不同的饮食：种子、昆虫、鲜花、海鸟的血和植物叶子。在加拉帕戈斯群岛长期的生态环境变化中，形成了14个物种：3种生活在地面上，以种子为食；3种生活在仙人掌上，吃种子；1种生活在树上，吃种子和7种生活在树木上，以昆虫为食。2.最新研究成果1972年，普林斯顿大学的生物学家格兰特夫妇重返加拉帕戈斯群岛。在其中的达芙尼岛上，格兰特夫妇和他们的学生对达尔文雀作了长期细致的观察。这样他们就能对自然选择的效果加以量化。达芙尼岛上主要有两种达尔文雀：中喙地雀和仙人掌雀。中喙地雀的喙较钝，它们啄开常绿植物的小种子或蒺藜种子并以此为食。仙人掌雀的喙更尖，它们食用仙人掌的果实并为仙人掌授粉。正如达尔文在进化论中所预计的，气候变化引起食物供应的变化，由于自然选择作用，食物供应的变化使达尔文雀的喙的大小和形状也产生了变化。1977年的拉尼娜现象使小种子消失殆尽，大部分中喙地雀饿死了，但是喙较大的中喙地雀却依靠蒺藜种子生存了下来。中喙地雀的喙因此平均增大了4％。而1983年的厄尔尼诺现象又使小种子变得丰富起来，这样喙较小的中喙地雀反而更占优势。结果喙又平均缩小了2.5％。自然选择也影响到了仙人掌雀。1983年的厄尔尼诺现象影响了仙人掌雀的食物来源，那些喙稍钝的仙人掌雀可以食用植物的小种子渡过难关。但是格兰特夫妇惊奇的发现，在食物危机导致的自然选择压力消失以后，仙人掌雀的喙还是年复一年地变钝。最终，他们发现了这个“悖论”的原因。1983年的“食物危机”改变了仙人掌雀种群的性别比例，雄性和雌性的比例达到了五比一，这导致了部分雄性仙人掌雀和雌性中喙地雀交配，并产下了具有繁殖能力的后代。由于后代学习它们的仙人掌雀父亲的叫声，它们也只选择仙人掌雀作为配偶。其结果是，中喙地雀的基因逐渐渗入了仙人掌雀的基因库，仙人掌雀的喙因此而变得越来越钝。生物学家把这种现象称作“基因渗入”。格兰特夫妇认为，对于达芙尼岛上的达尔文雀的研究表明，获得外来基因的物种可能更能适应环境的变化。同时，这种基因渗入现象也表明物种之间的隔离并没有像人们认为的那般严密。3.高中生物学知识解释不同种地雀形成原因加拉帕戈斯群岛达尔文雀分化的原因，各岛上的地雀原本属于同一物种，它们可以互相交配产生后代，但由于长期被海洋分隔，不同岛屿的环境不同，这些地雀向不同的方向进化，不同岛屿上的种群会有不同的突变和基因重组，而一个种群的突变和基因重组不会影响另一个种群的基因频率。因此，在自然选择的作用下，不同种群的基因频率会向不同的方向发展和进化，逐渐出现生殖隔离，形成不同的物种。例1、达尔文在加拉帕戈斯群岛上的不同岛屿上发现了13种地雀，其大小形态、食性、栖息环境各不相同，并且它们之间互不交配。经过研究，发现它们都是由来自南美大陆的同一物种进化而来的。请用现代生物进化理论的观点回答下列问题：（1）这些地雀迁来后，分布于不同岛屿，不同的种群出现不同的基因突变和基因重组，经过长期的

，使得不同的种群

频率朝着不同方向发展。（2）由于岛上食物和栖息条件不同，

对不同种群基因频率的改变所起的作用就有所差异，使得这些种群

就会形成明显的差异，并逐步产生了

隔离。

（3）这一事实说明：

隔离会导致

隔离，隔离是物种形成的

。答案：（1）地理隔离

基因（2）自然选择

基因库

生殖（3）地理

生殖

必要条件解析：（1）分布于不同岛屿上的地雀种群出现不同的基因突变和基因重组，经过长期的地理隔离，使种群的基因频率发生定向的改变。（2）自然选择可使种群的基因库形成明显的差异，并逐步产生了生殖隔离。（3）一般情况下，地理隔离会导致生殖隔离的出现，隔离是形成物种的必要条件。例2、加拉帕戈斯群岛由许多互不相连、彼此独立的小岛组成。1835年，达尔文在该群岛发现地雀有13个种。

（一）（1）由于各小岛彼此独立，生活在这些小岛上的原始地雀之间存在着

隔离。在长期的进化历程中，各个小岛上的地雀分别累积各自的变异，从而彼此之间逐渐形成

隔离，最终形成了地雀新种。（2）若某个小岛上的地雀均为莺雀，则该小岛上的全部莺雀个体称为

。加拉帕戈斯群岛上的13种地雀体现了生物的

多样性。

（二）其中一个小岛上有一地雀种群中AA、Aa和aa的基因型频率分别为0.3、0.4和0.3。

（1）该种群中a基因的频率为

。如果该种群满足四个基本条件，即种群足够大、不发生

、不发生

、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

。

（2）假定该地雀种群满足上述四个基本条件，但不发生随机交配，只在相同基因型之间进行，则理论上该种群的子一代中AA、Aa和aa的基因型频率分别为

、

和

；如果子一代也同样只发生相同基因型之间的交配，其后代中AA、Aa和aa的基因型频率

（会、不会）发生改变。答案：（一）（1）地理

生殖

（2）种群

物种

（二）（1）50%

突变

自然选择25%

（2）40%

20%

40%

会解析：本题是对加拉帕戈斯群岛上多种地雀形成过程的分析，分析题干和题图信息：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。在生物进化过程中，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。例3、加拉帕戈斯群岛由许多互不相连、彼此独立的小岛组成。1835年，达尔文在该群岛发现地雀有13个种，因最初是达尔文发现的，被统称为达尔文地雀。如图表示这13种地雀之间的进化关系。（1）从图中可以看出这些不同种的地雀都是由

这一共同祖先进化而来的。它们虽来自共同的祖先，但喙的大小、形状等性状存在明显的差异，这种现象在遗传学上称为

。

（2）大嘴地雀（学名：Geospizamagnirostris）、红木树雀（学名：Geospizaheliobates）、素食树雀（学名：Platyspizacrassirostris）三者中属于同“属”不同“种”的是

。（3）地雀喙长短的性状是由

控制的。不同的小岛上环境不同，如果地雀的喙与之相适应，就能获得更好的生存和繁殖机会，所以环境在地雀的进化过程中起到了

的作用。（4）达尔文地雀的进化是

共同作用的结果。答案：（1）南美洲地雀

变异

（2）大嘴地雀和红木树雀

（3）基因

选择

（4）环境和遗传物质

解析：（1）从图中可以看出这些不同种的地雀都有共同的祖先，它们的祖先就是南美洲地雀，因此它们都是由南美洲地雀这一共同祖先进化而来的。遗传是指亲子间的相似性，变异是指亲子间及子代个体间的差异。这些不同种的地雀虽来自共同的祖先，但喙的大小、形状等性状存在明显的差异，这种现象在遗传学上称为变异。（2）双名法就是每个物种的科学名称由两部分组成，第一部分是属名，第二部分是种加词，种加词后面还应有命名者的姓名，有时命名者的姓名可以省略。双名法的生物学名部分均为拉丁文。大嘴地雀（学名：Geospizamagnirostris）与红木树雀（学名：Geospizaheliobates）属于同“属”不同“种”，而素食树雀（学名：Platyspizacrassirostris）与大嘴地雀（学名：Geospizamagnirostris）、红木树雀（学名：Geospizaheliobates）都不同“属”不同“种”。