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自然选择

AP 生物 · 知识点 7

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8:10

自然选择

这是一盘细菌。每个白色圆盘含有不同的抗生素——一种旨在杀死它们的药物。看那些透明的圆环。宽阔的圆环意味着该药物仍然有效……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

7.1

自然选择导论

教学大纲

持久理解(大概念 1 — 进化): 进化的过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.1.A: 描述自然选择的原因。

  • 7.1.A.1 自然选择是进化的主要机制。
  • 7.1.A.2 根据达尔文的自然选择理论,对有限资源的竞争导致生存差异。具有更有利表型的个体更有可能生存并产生更多后代,从而将这些有利性状传递给后代。

学习目标 7.1.B: 解释自然选择如何影响种群。

  • 7.1.B.1 进化适应度通过繁殖成功率来衡量。
  • 7.1.B.2 生物和非生物环境可能会发生波动,从而影响进化的速率和方向。每一代都可能选择不同的遗传变异。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Evolution 进化 is a change in the heritable traits of a population over generations. Natural selection 自然选择 is its main driver: individuals vary, some variations are heritable, more offspring are produced than survive, and those with traits better suited to the environment survive and reproduce more. Over time, helpful traits become more common.

Natural selection: the best-adapted survive, reproduce, and pass on their alleles
Natural selection: the best-adapted survive, reproduce, and pass on their alleles
探索

选择作用中

在黑暗、布满煤灰的树上,伪装更好的蛾存活并繁殖,于是经过许多代,种群发生改变。

词汇 训练
English 中文 拼音
Evolution/ɪvəˈluːʃn/ 进化 jìn huà
Natural selection/ˈnætʃərəl sɪˈlekʃn/ 自然选择 zì rán xuǎn zé
7.2

自然选择

教学大纲

持久理解(BIG IDEA 1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.2.A: 描述种群中表型变异的重要性。

  • 7.2.A.1 自然选择作用于种群中的表型变异。
  • 7.2.A.2 环境发生变化,并对种群施加选择压力。
    • 7.2.A.2 示例: 开花时间与全球气候变化的关系
  • 7.2.A.3 某些表型变异会增加或降低生物体在特定环境中的适应度。
    • 7.2.A.3 示例: 镰状细胞贫血症;昆虫对 DDT 的抗药性

学习目标 7.2.B: 解释细胞内分子变异如何与生物体的适应度相联系。

  • 7.2.B.1 细胞内分子数量和种类的变异可以使种群在不同环境中具有更强的生存和繁殖能力。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Peppered moth dark form (carbonaria) — industrial melanism is a classic natural-selection case study
Peppered moth dark form (carbonaria) — industrial melanism is a classic natural-selection case study

Selection acts on variation 变异. Fitness 适合度 means reproductive success, not strength. Selection comes in modes: directional (favors one extreme), stabilizing (favors the average), and disruptive (favors both extremes). The environment does the "selecting," so a trait that helps in one setting may not in another. Well-suited traits are adaptations 适应.

Stabilising, directional, and disruptive selection
Stabilising, directional, and disruptive selection
探索

观察选择如何改变种群

自然选择:适应环境的个体生存和繁殖更多,因此有益性状传播。改变环境并观察种群的适应过程。

词汇 训练
English 中文 拼音
variation/ˌveərɪˈeɪʃn/ 变异 biàn yì
Fitness/ˈfɪtnəs/ 适合度 shì hé dù
adaptations/ˌædæpˈteɪʃnz/ 适应 shì yìng
7.3

人工选择

教学大纲

持久理解(核心概念1——进化): 进化过程驱动了生命的多样性与统一性。

学习目标 7.3.A: 解释人类如何影响种群内的多样性。

  • 7.3.A.1 通过人工选择,人类影响其他物种的变异。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

In artificial selection 人工选择, humans – not nature – choose which individuals breed, selecting for desired traits (crops, livestock, dogs). It works the same way as natural selection and, being fast and visible, is strong evidence that selection can reshape populations.

Selective breeding makes a wanted feature more common over generations
Selective breeding makes a wanted feature more common over generations
探索

是谁在做选择?

按照是大自然还是人类决定哪些个体繁殖,给每个例子分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
artificial selection/ˌɑːtɪˈfɪʃl sɪˈlekʃn/ 人工选择 rén gōng xuǎn zé
7.4

群体遗传学

教学大纲

持久理解(核心理念 1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.4.A: 解释随机事件如何影响种群的基因组成。

  • 7.4.A.1 进化也受随机事件的驱动。
    • i. 突变是一个随机过程,它为种群增加了新的遗传变异。
    • ii. 遗传漂变是由非选择性过程引起等位基因频率变化的现象,通常发生在小种群中。
    • iii. 瓶颈效应是遗传漂变的一种类型,当种群数量在至少一代的时间内减少到极少数个体时发生。
    • iv. 奠基者效应是遗传漂变的一种类型,当一部分种群与其他成员分离而建立新种群时发生。该新奠基种群中的基因和性状频率将发生变化。
    • v. 迁移可能导致基因流(即从种群中添加或移除等位基因)。

学习目标 7.4.B: 描述随机过程在特定种群进化中的作用。

  • 7.4.B.1 随机过程可能导致种群中等位基因频率的改变。
    • i. 突变产生遗传变异,为自然选择提供了作用的表型基础。
    • ii. 遗传漂变可使一个小种群与同一物种的其他种群发生分化。
    • iii. 两个种群之间的基因流动可防止它们分化为不同的物种。

学习目标 7.4.C: 描述种群基因组成随时间的变化。

  • 7.4.C.1 等位基因频率的变化为种群中进化的发生提供了证据。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Population genetics 群体遗传学 studies the pool of alleles in a population. Evolution is a change in allele frequencies 等位基因频率 over time. Besides natural selection, allele frequencies change through mutation (new alleles), gene flow 基因流 (migration), and genetic drift 遗传漂变 (random change, strongest in small populations – the bottleneck and founder effects).

A population bottleneck reduces genetic variety
A population bottleneck reduces genetic variety
词汇 训练
English 中文 拼音
Population genetics/ˌpɒpjʊˈleɪʃn dʒɪˈnetɪks/ 群体遗传学 qún tǐ yí chuán xué
allele frequencies/əˈliːl ˈfriːkwənsiz/ 等位基因频率 děng wèi jī yīn pín lǜ
gene flow/dʒiːn fləʊ/ 基因流 jī yīn liú
genetic drift/dʒɪˈnetɪk drɪft/ 遗传漂变 yí chuán piāo biàn
7.5

哈迪-温伯格平衡

教学大纲

持久理解(核心理念 1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性与统一性。

学习目标 7.5.A: 描述种群中等位基因频率和基因型频率发生变化的条件。

  • 7.5.A.1 哈迪-温伯格平衡是用于描述和预测非进化种群中等位基因频率的模型。一个种群或一个等位基因处于哈迪-温伯格平衡的条件包括:

    • i. 种群规模足够大
    • ii. 没有迁移
    • iii. 没有新突变
    • iv. 随机交配
    • v. 没有自然选择

    这些条件在现实中从未完全满足,但它们提供了一个有价值的零假设。

  • 7.5.A.2 非进化种群中的等位基因频率可以通过基因型频率计算得出。

    • 公式: 哈迪-温伯格方程— $p^2 + 2pq + q^2 = 1$;$p + q = 1$,其中:$p$ = 种群中等位基因 1 的频率;$q$ = 种群中等位基因 2 的频率
    • 7.5.A.2 示例: 种群中等位基因频率的图形分析

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The Hardy–Weinberg 哈迪-温伯格 model gives the allele and genotype frequencies expected when a population is not evolving. With allele frequencies $p$ and $q$ ($p+q=1$):

$$p^2 + 2pq + q^2 = 1,$$
where $p^2$ and $q^2$ are the homozygotes and $2pq$ the heterozygotes. It holds only under five conditions (no selection, no mutation, no migration, random mating, large population); when real data differ from the prediction, the population is evolving.

Worked example. In a population, $16\%$ of individuals show the recessive phenotype, so $q^2=0.16$ and $q=\sqrt{0.16}=0.4$. Then $p=1-q=0.6$. The predicted carrier frequency (heterozygotes) is $2pq=2(0.6)(0.4)=0.48$, i.e. $48\%$, and the homozygous dominants are $p^2=0.6^2=0.36$, i.e. $36\%$. As a check, $0.36+0.48+0.16=1$. This is the standard route: recessive phenotype $\to q^2\to q\to p\to$ everything else.

Hardy–Weinberg: allele frequencies p and q give genotype frequencies p², 2pq, q²
Hardy–Weinberg: allele frequencies p and q give genotype frequencies p², 2pq, q²
探索

跨代等位基因频率

哈迪-温伯格预测在不进化的种群中的基因型频率($p^2+2pq+q^2$)。庞氏表显示了种群规模上等位基因的结合方式。

词汇 训练
English 中文 拼音
Hardy–Weinberg/ˈhɑːdi ˈwaɪnbɜːɡ/ 哈迪-温伯格 hā dí - wēn bó gé
7.6

进化的证据

教学大纲

持久理解(核心理念1——进化): 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.6.A: 描述为进化提供证据的数据类型。

  • 7.6.A.1 进化得到了来自多个学科的科学证据的支持(地理、地质、物理、生化和数学数据)。

学习目标 7.6.B: 解释形态学、生物化学和地质数据如何提供生物随时间发生变化的证据。

  • 7.6.B.1 现存和灭绝生物的分子、形态学和遗传证据增进了我们对进化的理解。
    • i. 化石可以通过多种方法进行年代测定。这些方法包括:1)发现化石的岩石层年龄;2)同位素(包括碳-14)的衰变速率;以及 3)地理数据。
    • ii. 形态学同源结构,包括退化器官,提供了共同祖先的证据。
  • 7.6.B.2 DNA核苷酸序列与蛋白质氨基酸序列的比较为进化和共同祖先提供了证据。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Archaeopteryx fossil: feathers plus reptilian features — evidence of common ancestry
Archaeopteryx fossil: feathers plus reptilian features — evidence of common ancestry

Multiple independent lines support evolution: the fossil record 化石记录, homologous structures 同源结构 (shared anatomy from common ancestry), vestigial structures 痕迹器官, shared embryology, and molecular evidence – the near-universal genetic code and matching DNA/protein sequences.

探索

哪一种证据?

按照每条进化线索提供的证据类型,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
fossil record/ˈfɒsl ˈrekɔːd/ 化石记录 huà shí jì lù
homologous structures/həˈmɒləɡəs ˈstrʌktʃəz/ 同源结构 tóng yuán jié gòu
vestigial structures/ˈvestɪdʒl ˈstrʌktʃəz/ 痕迹器官 hén jì qì guān
7.7

共同祖先

教学大纲

持久理解(大概念 1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性与统一性。

学习目标 7.7.A: 描述在细胞和分子水平上为所有真核生物的共同祖先提供证据的结构和功能证据。

  • 7.7.A.1 结构和功能证据表明所有真核生物具有共同祖先。这些证据包括:
    • i. 膜结合细胞器
    • ii. 线性染色体
    • iii. 含有内含子的基因

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

All life shares a common ancestor 共同祖先, shown by universal features: the same DNA/RNA machinery, the same genetic code, ribosomes, and core metabolic pathways in all organisms. The more features and sequences two species share, the more recently they diverged.

Archaeopteryx: transitional fossils link major groups and support common ancestry
Archaeopteryx: transitional fossils link major groups and support common ancestry
词汇 训练
English 中文 拼音
common ancestor/ˈkɒmən ˈænsestə/ 共同祖先 gòng tóng zǔ xiān
7.8

持续进化

教学大纲

持久理解(大概念1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.8.A: 解释进化是所有生物体中持续进行的过程。

  • 7.8.A.1 所有物种都已进化并仍在继续进化。示例包括:
    • i. 随时间推移发生的基因组变化
    • ii. 化石记录中的连续变化
    • iii. 对抗生素、杀虫剂、除草剂或化疗药物产生耐药性的进化
    • iv. 病原体进化并导致新发疾病

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Antibiotic sensitivity plate: clear zones show which antibiotics kill the bacteria
Antibiotic sensitivity plate: clear zones show which antibiotics kill the bacteria

Evolution is ongoing and observable: antibiotic-resistant bacteria, pesticide-resistant insects, and rapid changes in fast-breeding species. Because environments keep changing, selection keeps acting – evolution has no endpoint.

How antibiotic resistance spreads through a population by natural selection
How antibiotic resistance spreads through a population by natural selection
探索

对抗性的选择

观察一种药如何杀死大多数细菌,而罕见的有抗性的存活下来并占据主导。

7.9

系统发育

教学大纲

持久理解(核心概念 1 — 进化): 进化过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.9.A: 描述可用于推断进化关系的证据类型。

  • 7.9.A.1 系统发育树和支序图展示了谱系之间可被检验的假设性进化关系。
  • 7.9.A.2 系统发育树通过化石或分子钟对时间进行了校准,从而显示随时间推移发生的变化量;而支序图不显示时间尺度或类群间的进化差异。
  • 7.9.A.3 在进化过程中获得或丢失的性状可用于构建系统发育树和支序图。外群代表与系统发育树或支序图中其余生物亲缘关系最远的谱系。
    • i. 共有衍征可能存在于多个谱系中,并指示共同祖先。这些特征对于构建系统发育树和支序图具有信息价值。
    • ii. 在构建系统发育树或支序图时,分子数据通常比形态学性状提供更准确、更可靠的证据。

学习目标 7.9.B: 解释如何利用系统发育树和支序图推断进化上的亲缘关系。

  • 7.9.B.1 系统发育树和支序图可用于图解已发生的物种形成事件。树上的节点代表任意两个类群或谱系的最近共同祖先。
  • 7.9.B.2 系统发育树和支序图可根据现存或化石物种的形态相似性,以及 DNA 和蛋白质序列的相似性来构建。
  • 7.9.B.3 系统发育树和支序图是基于证据不断修订的假说。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A phylogenetic tree 系统发育树 (cladogram) diagrams evolutionary relationships, with branch points marking common ancestors and shared derived traits grouping related species. Trees are hypotheses, revised as new (especially molecular) data arrive.

The tree of life: phylogeny groups organisms by shared ancestry from a common origin
The tree of life: phylogeny groups organisms by shared ancestry from a common origin
词汇 训练
English 中文 拼音
phylogenetic tree/ˌfaɪləʊdʒˈnetɪk triː/ 系统发育树 xì tǒng fā yù shù
7.10

物种形成

教学大纲

持久理解(核心概念 1 — 进化): 进化的过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 7.10.A: 描述新物种可能产生的条件。

  • 7.10.A.1 当两个种群之间产生生殖隔离时,就会发生物种形成。
  • 7.10.A.2 生物学物种概念为有性繁殖的生物提供了一种常用的物种定义。它指出,物种可以被定义为能够相互交配并交换遗传信息以产生可育后代的群体。

学习目标 7.10.B: 描述不同生态条件下的进化速率和物种形成速率。

  • 7.10.B.1 间断平衡是指经历长期停滞后快速发生的进化。渐变论是指进化在数十万或数百万年中缓慢发生的过程。
  • 7.10.B.2 分歧进化是指适应新栖息地导致表型多样化的现象。当新的栖息地变得可用时,适应性辐射时期的物种形成速率可能特别快。
  • 7.10.B.3 趋同进化是指相似的选择压力导致不同种群或物种产生相似的表型适应的现象。

学习目标 7.10.C: 解释驱动物种形成的过程和机制。

  • 7.10.C.1 同域物种形成发生在具有地理重叠的种群中。异域物种形成发生在地理隔离的种群中。
  • 7.10.C.2 各种合子前和合子后机制可以维持生殖隔离并阻止种群间的基因流。
  • 7.10.C 的说明性示例: 夏威夷果蝇 (Drosophila);加勒比海安乐蜥 (Anolis);苹果实蝇 (Rhagoletis)

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Speciation 物种形成 is the origin of new species, usually when populations become reproductively isolated 生殖隔离 and diverge. Allopatric speciation follows a geographic split; sympatric speciation happens without one. Once populations can no longer interbreed, they are separate species.

Allopatric and sympatric speciation
Allopatric and sympatric speciation
词汇 训练
English 中文 拼音
Speciation/ˌspiːʃɪˈeɪʃn/ 物种形成 wù zhǒng xíng chéng
reproductively isolated/rɪprəˈdʌktɪvli ˈaɪsəleɪtɪd/ 生殖隔离 shēng zhí gé lí
7.11

群体中的变异

教学大纲

持久理解(大概念4 — 系统相互作用): 生物系统之间相互作用,这些系统及其相互作用表现出复杂的特性。

学习目标 7.11.A: 解释一个物种或种群的遗传多样性如何影响其抵御环境压力的能力。

  • 7.11.A.1 种群中的变异水平会影响种群动态。
    • i. 种群对环境变化的响应能力受遗传多样性的影响。遗传多样性较少的物种和种群面临衰退或灭绝的风险。
    • ii. 遗传多样化的种群更能抵御环境扰动,因为它们更有可能包含能够承受环境压力的个体。
    • iii. 在一个环境条件下具有适应性的等位基因,在另一种环境条件下可能有害,这是因为存在不同的选择压力。
    • 7.11.A.1 的示例: 加州秃鹫;黑足鼬;草原松鸡;马铃薯晚疫病;玉米锈病;遗传多样性与选择压力;细菌的抗生素耐药性(并非多样化种群中的所有个体都会易感疾病爆发)

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Genetic diversity 多样性 helps a population survive change – if conditions shift, some variants may already be suited to them. Low diversity (as in an endangered species) leaves a population vulnerable. Variation arises from mutation and the reshuffling of meiosis and sexual reproduction.

Discontinuous and continuous variation
Discontinuous and continuous variation
探索

连续还是不连续?

按照每个性状是在一个平滑范围内变化,还是落入不同的类别,给它们分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
diversity/daɪˈvɜːsɪti/ 多样性 duō yàng xìng
7.12

地球生命的起源

教学大纲

持久理解(大概念 4 — 系统相互作用): 生物系统之间相互关联,这些系统及其相互作用表现出复杂的特性。

学习目标 7.12.A: 描述支持地球生命起源模型的科学证据。

  • 7.12.A.1 地球生命的起源得到了科学证据的支持。
    • i. 地质证据强化了关于地球生命起源的模型。
    • ii. 地球大约形成于 46 亿年前(bya)。在约 39 亿年前之前,环境过于恶劣而不适合生命存在,而最早的生命化石证据可追溯至 35 亿年前。综合这些证据,为生命起源提供了一个合理的时间范围。
  • 7.12.A.2 “RNA世界”假说提出 RNA 可能是最早的遗传物质。该假说包含三个假设:
    • i. 在某个时间点,通过 RNA 的复制确保了遗传的连续性。
    • ii. 碱基配对是复制所必需的。
    • iii. 基因编码的蛋白质未作为催化剂参与其中。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Evidence suggests early Earth's conditions could form simple organic molecules (the Miller–Urey type experiments), which assembled into polymers, then self-replicating RNA (the "RNA world"), and eventually membrane-bound cells. The first cells were prokaryotes; eukaryotes arose later through endosymbiosis 内共生.

Stromatolites: layered microbial mats are among the oldest evidence of life on Earth
Stromatolites: layered microbial mats are among the oldest evidence of life on Earth
A hydrothermal vent: hot chemical-rich water may have powered early metabolism at life's origin
A hydrothermal vent: hot chemical-rich water may have powered early metabolism at life's origin

Common mistakes.

  • Saying organisms evolve a trait because they need it. Variation arises at random by mutation; selection only changes how common existing variants are.
  • Saying the antibiotic or pesticide causes the resistance mutation. Resistant variants were already present; the chemical kills the others, so the resistant ones leave more offspring.
  • Reading a cladogram's tip order as relatedness. Relatedness comes from the most recent shared branch point; two tips next to each other are not always closest relatives, and branches can rotate about a node without changing the tree.
  • Saying humans evolved from chimpanzees. Humans and chimpanzees share a common ancestor; neither species is the ancestor of the other.
  • Mixing up homologous and analogous structures. Homologous structures share an ancestral origin (human arm, whale flipper); analogous structures 同功结构 do a similar job but evolved separately (bird and insect wings), so only homologous structures show common ancestry.
  • Using the dominant-phenotype frequency as $p^2$. Dominant phenotype = $p^2+2pq$; always start from the recessive phenotype, $q^2$.
  • Saying a population in Hardy–Weinberg equilibrium has equal allele frequencies. Equilibrium means the frequencies are not changing between generations, whatever their values.
词汇 训练
English 中文 拼音
endosymbiosis/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/ 内共生 nèi gòng shēng
analogous structures 同功结构 tóng gōng jié gòu
7.12

考试技巧

English
  • State natural selection cleanly: variation → differential survival and reproduction → helpful traits become common.
  • Fitness = reproductive success, not strength or health.
  • Evolution is a change in allele frequencies in a population — individuals do not evolve.
  • Use Hardy–Weinberg ($p^2+2pq+q^2=1$): start from the recessive phenotype $q^2\to q\to p$.
  • Cite independent evidence (fossils, homologous structures, DNA) and explain speciation via reproductive isolation.

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