Tài liệu Skkn hướng dẫn học sinh tìm hiểu sự thay đổi vốn gen của quần thể dưới áp lực của các nhân tố tiến hóa

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT TRIỆU SƠN 2 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HƯỚNG DẪN HỌC SINH TÌM HIỂU SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA CÁC NHÂN TỐ TIẾN HÓA Người thực hiện: Đặng Văn Sáu Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực: Sinh học. THANH HÓA NĂM 2013 1 PHẦN MỘT : ĐẶT VẤN ĐỀ I. LỜI MỞ ĐẦU Chương trình Sinh học cấp THPT gồm 7 phần : - Phần một : Giới thiệu chung về thế giới sống - Phần hai : Sinh học tế bào - Phần ba : Sinh học vi sinh vật - Phần bốn : Sinh học cơ thể - Phần năm : Di truyền học - Phần sáu : Tiến hóa - Phần bảy : Sinh thái học. Theo ý kiến phản hồi của học sinh ở nhiều khóa học cho thấy: trong các phần trên thì Tiến hóa được học sinh cho là khó nhất. Học sinh "sợ" phần này không phải là do bài tập khó, cũng không phải là do khó tiếp thu, mà là do đây là phần có ít bài tập và nhiều lí thuyết, lại khó nhớ. Có nhiều vấn đề lí thuyết mang tính trừu tượng, nhưng lại rất khô khan (không có cốt truyện hấp dẫn và những tình tiết li kì như các truyện ngắn hay tiểu thuyết). Vì vậy để học sinh cảm thấy có hứng thú trong học tập bộ môn Sinh học nói chung và phần Tiến hóa nói riêng, tôi quyết định chọn đề tài này. II. THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nhân tố tiến hóa là nhân tố có thể làm thay đổi vốn gen của quần thể (tần số tương đối các alen, thành phần kiểu gen). Liên quan đến sự thay đổi vốn gen của quần thể dưới áp lực của các nhân tố tiến hóa, sách giáo khoa Sinh học 12 (Chương trình Chuẩn) có đưa ra nhận xét : "đột biến gen làm thay đổi tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể rất chậm và có thể coi như không đáng kể". Rõ ràng đây chỉ là nhận xét "định tính" mà chưa "định lượng", chưa làm rõ được cụ thể là qua mỗi thế hệ thì tần số alen của quần thể còn bao nhiêu nếu xảy ra đột biến gen với tần số u (0 < u < 1) nào đó. Ở Sách giáo khoa Sinh học 12 Nâng cao lại đưa ra một ví dụ : "với tần số đột biến là 10-5 thì để làm giảm tần số alen ban đầu đi một nửa, theo tính toán lí thuyết phải cần 69000 thế hệ". Học sinh sẽ rất muốn tìm hiểu xem tại sao lại tính được ra số thế hệ như vậy. Sách giáo khoa cũng chưa đề cập cụ thể sự thay đổi tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể do các nhân tố tiến hóa khác như : di - nhập gen, chọn lọc tự nhiên (CLTN), ... Từ thực trạng trên, để giúp các em học sinh tìm hiểu sâu hơn về các nhân tố tiến hóa, tạo cảm hứng mới cho học tập, và cũng là để các em có thể làm tốt các câu hỏi trong đề thi tuyển sinh Đại học - Cao đẳng, các câu hỏi trong đề thi học sinh giỏi, tôi đã mạnh dạn đổi mới, cải tiến phương pháp dạy học, hướng 2 dẫn học sinh tìm hiểu sự thay đổi vốn gen của quần thể dưới áp lực của các nhân tố tiến hóa. III. ĐỐI TƯỢNG VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là học sinh lớp 12B1 và 12C5 Trường THPT Triệu Sơn 2 - Thanh Hoá. Đề tài được nghiên cứu trong thời gian hai năm học. Cụ thể : - Lớp 12B1 năm học 2011 - 2012 - Lớp 12C5 năm học 2012 - 2013. IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU - Phương pháp thực nghiệm trong quá trình dạy học trên lớp và hướng dẫn học sinh học, làm bài tập ở nhà. - Phương pháp thống kê toán học dựa trên số lượng học sinh thực hiện được các yêu cầu của đề tài. 3 PHẦN HAI : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA ĐỘT BIẾN 1.1. Cơ sở lí luận Giả sử trong quần thể, xét 1 gen gồm 2 alen A và a với tần số tương đối ban đầu là p0 và q0 (0 ≤ p0,q0 ≤ 1 ; p0 + q0 = 1 ). Gọi u là tần số đột biến thuận, v u v → a ; a → A). Ngoài nhân tố đột biến thì quần là tần số đột biến nghịch (A  thể không chịu thêm áp lực của các nhân tố tiến hóa khác. Ta có thường gặp những trường hợp sau:  Trường hợp 1 : u > 0; v = 0 → đột biến xảy ra theo một chiều. u = 0; v >0  Tần số tương đối các alen tại thời điểm sau n thế hệ được tính như sau: Với u > 0 và v = 0 thì : p1 = p0 (1 - u) p2 = p1 (1 - u) = p0 (1 - u)2 p3 = p2 (1 - u) = p0 (1 - u)3 ... pn = p0 (1 - u)n -----> qn = 1 - pn Với u = 0 và v > 0, tương tự ta cũng có : pn = 1 - qn ; qn = q0 (1 - v)n Trường hợp 2 : u > 0 ; v > 0 → đột biến xảy ra theo 2 chiều : chiều thuận v (A  → a) và chiều nghịch (a  → A). Trường hợp này thì tần số các alen của quần thể có sự thay đổi (tăng, giảm) phụ thuộc vào trị số p0, q0, u, v. Khi số lượng alen sinh ra từ đột biến thuận bằng số lượng alen sinh ra từ đột biến nghịch thì quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền. Vậy ở thời điểm cân bằng, ta có : u.p = v.q Do p = 1 - q ---> u.(1 - q) = v.q ↔ u = vq + uq = q(u + v) u v ==> q = ; p= u+v u+v u 1.2. Một số ví dụ Ví dụ 1. Quần thể ban đầu có tần số tương đối của alen A là p0. Để tần số này giảm đi 1 chỉ do áp lực của quá trình đột biến diễn ra theo một chiều thì phải 2 cần khoảng bao nhiêu thế hệ? Cho biết tần số đột biến u bằng 10-5. 4 Giải: Áp dụng công thức : pn = p0.(1 - u)n, ta có : 0,5p0 = p0.(1 - 10-5)n <=> (1 - 10-5)n = 0,5 <=> n.ln(1 - 10-5) = ln 0,5 ln0,5 ==> n = ≈ 69314 (thế hệ) ln(1 − 10 −5 ) Ví dụ 2. Quần thể ban đầu có tần số tương đối của alen A = 0,96. Nếu chỉ do áp lực của đột biến theo một chiều làm giảm tần số của alen A qua 346570 thế hệ thì tần số tương đối của alen A còn bao nhiêu? Biết tần số đột biến là 10-5. Giải: Tần số alen A ở thế hệ n được tính bởi công thức pn = p0(1 - u)n => p346570 = 0,96.(1 - 10-5)346570 ≈ 0,03 Ví dụ 3. Quần thể ban đầu có tần số tương đối của alen A là 0,85 và sau 350000 thế hệ, tần số tương đối của alen A chỉ còn 0,25. Cho biết quá trình giảm tần số u đó chỉ do áp lực của quá trình đột biến theo một hướng (A  → a). Xác định tần số đột biến u. Giải: Tần số alen A ở thế hệ n được tính bởi công thức: pn = p0(1 - u)n ==> (1 - u)350000 = pn/po ≈ 0,3 ==> 350000.ln(1 - u) = ln 0,3. 1 1 ln 0,3 => ln (1 - u) = <=> ln(1 - u) = ln 0,3 350000 <=> 1 - u = 0,3 350000 350000 -6 ==> u ≈ 3.10 Ví dụ 4. Quần thể ban đầu có 106 alen A và a. Tần số đột biến của alen A (A → a) là 3.10-5, còn của alen a (a → A) là 10-5. Khi cân bằng thì quần thể có số lượng từng alen là bao nhiêu? Cho biết quần thể không chịu áp lực của các nhâ tố tiến hóa khác. Giải: Tại thời điểm cân bằng, ta có : u.p = v.q v 10 −5 = = 0,25 ; q = 1 - 0,25 = 0,75 Do q = 1 - p ===> p = u + v 3.10 −5 + 10 −5 Vậy số lượng từng alen trong quần thể là : A = 0,25 . 106 = 25.104 ; a = 0,75.106 = 75.104. 5 Ví dụ 5. Quần thể ban đầu có tần số tương đối các alen là p(A) = 0,7 và q(a) = 0,3. u → a và Quần thể này chịu áp lực của quá trình đột biến theo 2 hướng (A  -4 -5 v a → A) với tần số đột biến là u = 10 và v = 10 . Giả sử quần thể không chịu tác động của các nhân tố tiến hóa khác. Ở thời điểm cân bằng, thành phần kiểu gen của quần thể là bao nhiêu? Giải: Tại thời điểm cân bằng, ta có : u.p = v.q v 10 −5 Do q = 1 - p ===> p = = ≈ 0,1 ; q = 1 - 0,1 = 0,9 u + v 10 − 4 + 10 −5 ==> Theo công thức Hacdi - Vanbec thì thành phần kiểu gen của quần thể tại thời điểm cân bằng là: 0,12AA : 2.0,1.0,9Aa : 0,92aa = 0,01AA : 0,18Aa : 0,81aa. 1.3. Nhận xét - Sự thay đổi vốn gen của quần thể do áp lực của đột biến là không đáng kể. - Nếu đột biến xảy ra theo hai chiều thuận nghịch thì khi số lượng đột biến thuận bằng số lượng đột biến nghịch thì quần thể đạt trạng thái cân bằng. 2. SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA CHỌN LỌC TỰ NHIÊN 2.1. Cơ cở lí luận 2.1.1. Một số quy ước - Gọi p0, q0 lần lượt là tần số tương đối của các alen A và a của quần thể ban đầu ; p1, p2, ..., pn lần lượt là tần số tương đối của alen A khi quần thể đã trải qua CLTN sau 1, 2, ..., n thế hệ ; q1, q2, ..., qn lần lượt là tần số tương đối của alen a khi quần thể đã trải qua 1, 2, ..., n thế hệ. - Gọi S là hệ số chọn lọc (0 ≤ S ≤ 1) - Gọi w là giá trị thích nghi (0 ≤ w ≤ 1 ; w = 1 - S) - Gọi quá trình chọn lọc các cá thể 2n là chọn lọc pha lưỡng bội ; quá trình chọn lọc các giao tử n là chọn lọc pha đơn bội. - Giả sử quần thể chỉ chịu áp lực của CLTN mà không chịu thêm tác động của các nhân tố tiến hóa khác. 6 2.1.2. Chọn lọc pha lưỡng bội Ta thường gặp những dạng cơ bản sau : - Dạng 1 : SAA = SAa = 0 ; Saa = 1 Trong trường hợp này, toàn bộ các cá thể AA và Aa đều sống sót và sinh sản; toàn bộ các cá thể aa đều bị chết hoặc không có khả năng sinh sản. Vì quần thể chỉ chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên mà không chịu thêm áp lực của các nhân tố tiến hóa khác, do đó ở mỗi thế hệ, thành phần kiểu gen đều thỏa mãn công thức Hacdi - Vanbec. + Ở quần thể ban đầu (P) : p02AA + 2p0q0Aa + q02aa = 1 + Trải qua 1 thế hệ chọn lọc, quần thể (F1) có dạng : p02AA + 2p0q0AA ≠ 1 2 p0 p0 + p0q 0 1 ==> p1 = = = ; 2 2 1+ q0 1− q0 1− q0 pq q0 q 0 (1 − q 0 ) = . q1 = 0 0 2 = (1 + q 0 )(1 − q 0 ) 1 + q 0 1− q0 Quá trình ngẫu phối xảy ra, quần thể đạt trạng thái cân bằng mới : F1 = p12AA + 2p1q1Aa + q12aa = 1 + Trải qua 2 thế hệ chọn lọc, quần thể (F2) có dạng : p12AA + 2p1q1AA ≠ 1 2 p1 p1q 1 q1 p 1 + p 1q 1 1 = = ; q = = ==> p2 = 2 2 2 2 1 + q1 1 + q1 1 − q1 1 − q1 1 − q1 Quá trình ngẫu phối lại xảy ra, quần thể lại đạt trạng thái cân bằng : F2 = p22AA + 2p2q2Aa + q22aa = 1 + Cứ như vậy, qua giao phối ngẫu nhiên, đến thế hệ thứ n (Fn), ta có tần số tương đối của các alen A và a là : q n -1 1 pn = ; qn = 1 + q n -1 1 + q n -1 1 1 + q0 1 Ta có : = =1+ q1 q0 q0 1 1 + q1 1 1 1 = =1+ =1 + =2+ q2 q1 q1 q 0 /(1 + q 0 ) q0 1 1 + q2 1 = = ... = 3 + q3 q2 q0 ... 1 1 = ... = n + qn q0 7 ==> qn = q0 ; pn = 1 - qn 1 + nq 0 - Dạng 2 : SAA = SAa = 0 ; 0 < Saa < 1 Trong trường hợp này, toàn bộ các cá thể AA và Aa đều sống sót và sinh sản; một phần các cá thể aa bị chết hoặc không sinh sản. Với cách lập luận như ở Dạng 1, ta có : + Ở quần thể ban đầu (P) : p02AA + 2p0q0Aa + q02aa = 1 + Trải qua 1 thế hệ chọn lọc, quần thể (F1) có dạng : p02AA + 2p0q0AA + (1 - S)q02aa ≠ 1 ==> Tần số các alen A và a được tính như sau : p 0 q 0 + q 02 (1 − S) q 0 − q 02S q1 = = ; p1 = 1 - q1 1 − q 02S 1 - q 02S Quá trình ngẫu phối xảy ra, quần thể đạt trạng thái cân bằng mới : F1 = p12AA + 2p1q1Aa + q12aa = 1 + Trải qua 2 thế hệ chọn lọc, quần thể (F2) có dạng : p12AA + 2p1q1AA + (1 - S)q12aa ≠ 1 ==> Tần số các alen A và a của F2 lại được tính như sau : p1q 1 + q 12 (1 − S) q 1 − q 12S q2 = = ; p2 = 1 - q2 1 − q 12S 1 - q 12S Quá trình ngẫu phối lại xảy ra, quần thể lại đạt trạng thái cân bằng : F2 = p22AA + 2p2q2Aa + q22aa = 1 + Cứ như vậy, qua giao phối ngẫu nhiên, đến thế hệ thứ n (Fn), ta có tần số tương đối của các alen A và a là : q n -1 − q 2n −1S qn = ; pn = 1 - qn 1 − q n2 -1S Sử dụng máy tính bỏ túi, ta có thể tính được các giá trị pn và qn qua các thế hệ chọn lọc. Nói cách khác, ta có thể tính được tần số tương đối của các alen A và a ở thế hệ bất kì nào đó khi quần thể chịu áp lực của quá trình chọn lọc pha lưỡng bội qua n thế hệ : q i-1 − q i2−1S qi = (i = 1, 2, ..., n) 1 − q i2-1S pi = 1 - qi - Dạng 3 : SAA =1 ; 0 < SAa <1 ; Saa = 0 Trường hợp này, các cá thể đồng hợp trội AA đều bị chết hoặc không sinh sản; các cá thể đồng hợp lặn aa đều sống sót và sinh sản; các cá thể dị hợp Aa có tỉ lệ sống sót và sinh sản không đạt 100%. + Ở quần thể ban đầu (P) : p02AA + 2p0q0Aa + q02aa = 1 + Trải qua 1 thế hệ chọn lọc, quần thể (F1) có dạng : 8 2p0q0(1 - S) Aa + q02aa ≠ 1 ==> Tần số các alen A và a được tính như sau : p 0 q 0 (1 − S) p1 = ; q1 = 1 - p1 2p 0 q 0 (1 − S) + q 02 + Tương tự như vậy thì thế hệ thứ n (Fn), ta có tần số tương đối của các alen A và a là : p n −1q n −1 (1 − S) pn = ; qn = 1 - pn 2p n −1q n −1 (1 − S) + q 2n −1 - Dạng 4 : 0 < SAA , SAa , Saa < 1 (SAA ≠ SAa ≠ Saa) Ở trường hợp này, các cá thể AA, Aa, aa đều có thể bị chọn lọc với tần số khác nhau. Trải qua i thế hệ chọn lọc (i = 1, 2, ..., n), quần thể (Fi) có dạng : pi-12(1 - SAA) AA + 2pi-1qi-1(1 - SAa) Aa + qi-12(1 - Saa) aa ≠ 1 Tính tần số alen A và a trong trường hợp này rất phức tạp . Vì vậy tùy theo dữ kiện đề bài cho và số thế hệ chọn lọc mà ta có thể tính tần số các alen A và a như sau: p i2−1 (1 − S AÂ ) + p i q i (1 − S Aa ) pi = 2 ; qi = 1 - pi p i −1 (1 − S AÂ ) + 2p i q i (1 − S Aa ) + q i2−1 (1 − Saa ) 2.1.3. Chọn lọc pha đơn bội Ta thường gặp những dạng toán cơ bản sau : - Dạng 1 : SA = 0 ; 0 < Sa <1 (toàn bộ các giao tử A đều sống sót và tham gia thụ tinh, các giao tử a có khả năng sống sót và tham gia thụ tinh không đạt 100%) Tần số tương đối của các alen qua các thế hệ được tính như sau: q1 = q0(1 - Sa) q2 = q1(1 - Sa) = q0(1 - Sa)2 q3 = q2(1 - Sa) = q0(1 - Sa)3 ... qn = q0(1 - Sa)n ==> pn = 1 - qn - Dạng 2 : 0 < SA ≠ Sa <1 (các giao tử A và a có khả năng sống sót và tham gia thụ tinh đều không đạt 100%) Trong trường hợp này, tần số các alen ở thế hệ i (i = 1, 2, .., n) sau chọn lọc là : pi = pi-1(1 - SA) ; qi = qi - 1(1 - Sa) ==> Tần số tương đối của các alen : 9 pi = p i −1 (1 − S A ) ; qi = 1 - pi p i −1 (1 − S A ) + q i −1 (1 − Sa ) 2.2. Một số ví dụ Ví dụ 1. Quần thể ban đầu có tần số alen a là 0,92. Giả thiết rằng tất cả các cá thể aa đều không có khả năng sinh sản; tất cả các cá thể AA và Aa đều sống và sinh sản bình thường; quần thể không chịu tác động của các nhân tố tiến hóa khác. Hỏi để tần số alen a giảm xuống còn 0,24 thì cần bao nhiêu thế hệ? Giải: Theo bài ra : SAA = SAa = 0 ; Saa = 1 q0 Áp dụng công thức : qn = , ta có : 1+ n.q0 = q0/qn 1 + n.q 0 ==> n = (q 0 /q n ) − 1 (0,92 / 0,24) − 1 = ≈ 3 (thế hệ) q0 0,92 Ví dụ 2. Bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm ở người do gen đột biến trội (HbS) gây nên, alen lặn (Hbs) quy định hồng cầu bình thường. Ở một quần thể người, tần số tương đối của alen HbS và Hbs là 0,8 và 0,2. Cho biết 100% số người mang kiểu gen đồng hợp trội (HbSHbS) và 80% số người mang kiểu gen dị hợp (HbSHbs) bị chết trước tuổi sinh sản; những người mang kiểu gen (HbsHbs) đều sống và sinh sản bình thường; quần thể không chịu thêm áp lực của các nhân tố tiến hóa khác. Sau một thế hệ, nếu số người trong quần thể là 3000 thì số lượng alen HbS là bao nhiêu? Giải: - Tần số tương đối alen HbS là : p 0 q 0 (1 − S) 0,2.0,8(1 − 0,8) p1 = = ≈ 0,31 2 2p 0 q 0 (1 − S) + q 0 2.0,8.0,2(1 − 0,8) + 0,2 2 ==> Số lượng alen HbS trong quần thể là : 0,31 x (3000 x 2) = 1860. Ví dụ 3. Một quần thể ban đầu có tần số tương đối của các alen A và a lần lượt là 0,4 và 0,6. Biết rằng hệ số chọn lọc của giao tử a là S = 0,34 (có 34% số giao tử a bị chết hoặc không có khả năng thụ tinh), còn hệ số chọn lọc của giao tử A là S = 0. Hỏi sau chọn lọc thì tần số tương đối của alen A biến đổi như thế nào so với ban đầu? Giải: Sau quá trình chọn lọc, ta có : + Lượng giao tử A là : 0,4 + Lượng giao tử a là : 0,6.(1 - 0,34) = 0,396 10 0,4 = 0,502 0,4 + 0,96 Vậy tần số tương đối của alen A tăng thêm là : 0,502 - 0,4 = 0,102. ==> Tần số alen A sau chọn lọc là : Ví dụ 4. Tần số của giao tử mang alen A và a trong quần thể ban đầu đều là 0,5. Biết rằng các giao tử mang A đều có khả năng thụ tinh, còn các giao tử mang a thì chỉ có 80% số giao tử là sống sót và tham gia thụ tinh. Ở thế hệ F4, nếu quần thể ngẫu phối đạt trạng thái cân bằng di truyền thì tỉ lệ kiểu gen dị hợp là bao nhiêu? Giải: Qua 4 thế hệ chọn lọc giao tử a với hệ số chọn lọc Sa = 0,8, tần số alen a là: q4 = 0,5(1 - 0,8)4 = 0,0008 ; ==> p4 = 1 - 0,0008 = 0,9992 Ở trạng thái cân bằng di truyền, tỉ lệ kiểu gen dị hợp là : 2 x 0,9992 x 0,0008 = 0,0015987. 2.3. Nhận xét - CLTN làm thay đổi vốn gen của quần thể nhanh hơn rất nhiều so với đột biến. - Chọn lọc pha đơn bội làm thay đổi vốn gen của quần thể nhanh hơn chọn lọc pha lưỡng bội; chọn lọc chống lại alen trội làm thay đổi vốn gen của quần thể nhanh hơn chọn lọc chống lại alen lặn. 3. SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA DI - NHẬP GEN 3.1. Cơ sở lí luận Nhân tố di - nhập gen (dòng gen) là nhân tố làm thay đổi tần số alen và thành phần kiểu gen của cả quần thể gốc và quần thể nhận. Nếu quần thể gốc và quần thể nhận có kích thước lớn thì một dòng gen nhỏ (vài cá thể) làm thay đổi không đáng kể đến tần số alen và thành phần kiểu gen. Ngược lại nếu quần thể gốc và quần thể nhận có kích thước nhỏ thì dòng gen có thể gây ra sự biến đổi đột ngột về tần số alen và thành phần kiểu gen của các quần thể. Gọi : p, q lần lượt là tần số alen A và a của quần thể sau di nhập; p1, q1 lần lượt là tần số alen A và a của quần thể cho; p2, q2 lần lượt là tần số alen A và a của quần thể nhận; m, n lần lượt là số lượng cá thể của quần thể cho và quần thể nhận. 11 Ta có thể tính p, q như sau : mp1 + np 2 p= ;q=1-p m+n mq 1 + nq 2 Hoặc : q = ; p = 1 - q. m+n 3.2. Một số ví dụ Ví dụ 1. Quần thể I có tần số alen a là 0,6; quần thể II có tần số alen a là 0,1. Tính tần số alen a của quần thể sau di nhập trong các trường hợp sau: - Trường hợp 1 : Có 30 cá thể có khả năng sinh sản từ quần thể I di nhập vào quần thể II. - Trường hợp 2 : Có 15000 cá thể có khả năng sinh sản từ quần thể I di nhập vào quần thể II. Biết quần thể II có 30000 cá thể. Giải Tần số alen của quần thể sau di nhập : 30x0,6 + 30000x0,1 - Trường hợp 1 : q = ≈ 0,1005 ; 30000 + 30 p = 1- 0,1005 = 0,8995. 15000x0,6 + 30000x0,1 - Trường hợp 2 : q = ≈ 0,27; 30000 + 15000 p = 1 - 0,27 = 0,73. Ví dụ 2. Tần số tương đối của alen A ở quần thể I là 0,8; ở quần thể II là 0,3. Số cá thể của quần thể I là 1600, số cá thể nhập cư từ quần thể II vào quần thể I là 400. Sau di nhập, quần thể tiếp tục ngẫu phối và đạt được 10000 cá thể thì số cá thể có kiểu gen dị hợp (Aa) là bao nhiêu? Biết quần thể không chịu tác động của các nhân tố tiến hóa khác. Giải: - Tần số alen A của quần thể I sau di nhập : 1600x0,8 + 400x0,3 = 0,7 p= 1600 + 400 ==> Số lượng cá thể dị hợp trong quần thể: 2 x 0,7 x (1 - 0,7) x 10000 = 4200. Ví dụ 3. Ở người, tính trạng mắt xanh do gen lặn quy định nằm trên nhiễm sắc thể thường. Trong một quần thể có 16% người mắt xanh, số người di cư đến quần thể chiếm 20% tổng số người. Trong số những người di cư đến có 9% số người mắt xanh. Tần số alen mắt xanh trong quần thể mới là bao nhiêu? 12 Giải: Gọi alen quy định mắt xanh là a Vì quần thể ngẫu phối nên : Tần số alen a trước khi di nhập : q12 = 0,16 ---> q1 = 0,4 Tần số alen a trong bộ phận di nhập đến : q22 = 0,09 ---> q2 = 0,3 Theo bài ra, tỉ lệ kích thước của các quần thể là : - Trước di nhập : 0,8 ; - Nhóm di nhập (dòng gen) : 0,2 ==> Tần số alen mắt xanh trong quần thể mới là : 0,8x0,4 + 0,2x0,3 qa = = 0,38. 0,8 + 0,2 Ví dụ 4. Một con sông có 2 quần thể ốc sên : quần thể lớn (quần thể chính) ở phía trên và quần thể nhỏ nằm ở cuối dòng trên một hòn đảo (quần thể đảo). Do nước chảy xuôi nên ốc chỉ di chuyển được từ quần thể chính đến quần thể đảo mà không di chuyển ngược lại. Xét một gen gồm 2 alen A và a. Ở quần thể chính có pA = 1, quần thể đảo có pA = 0,6. Do di cư, quần thể đảo trở thành quần thể mới, có 12% số cá thể là của quần thể chính. a) Tính tần số tương đối của các alen trong quần thể mới sau di cư. b) Quần thể mới sinh sản, trong quá trình đó đã xảy ra đột biến A ---> a với tốc độ là 0,3%. Tính tần số tương đối của các alen ở thế hệ tiếp theo của quần thể mới. Giải: a) Quần thể chính di cư đến quần thể đảo chiếm 12% quần thể mới. Vậy quần thể đảo chiếm 88% trong quần thể mới. Vậy ở quần thể mới (sau di nhập) có tần số tương đối của các alen là: pA = 0,12 x 1 + 0,88 x 0,6 = 0,648 qa = 1 - pA = 1 - 0,648 = 0,352. b) Tần số các alen sau đột biến là : pA = 0,648 - (0,003 x 0,648) = 0,646 qa = 1 - 0,646 = 0,354. 3.3. Nhận xét Sự thay đổi vốn gen của quần thể sau di nhập phụ thuộc vào : - Độ lớn của dòng gen - Tương quan về kích thước của quần thể cho và quần thể nhận - Tần số alen của quần thể nhận và tần số alen của dòng gen. 13 4. SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA GIAO PHỐI KHÔNG NGẪU NHIÊN 4.1. Cơ sở lí luận Giao phối không ngẫu nhiên (giao phối gần, tự thụ phấn, giao phối có lựa chọn, ...) không làm thay đổi tần số alen mà chỉ làm thay đổi thành phần kiểu gen của quần thể. Nếu là quần thể tự phối (tự thụ tinh, tự thụ phấn) thì thành phần kiểu gen của quần thể sẽ thay đổi theo hướng giảm dần tỉ lệ dị hợp, tăng dần tỉ lệ đồng hợp, quần thể dần phân hóa thành các dòng thuần chủng. Trong trường hợp này, nếu quần thể không chịu áp lực của các nhân tố tiến hóa khác thì thành phần kiểu gen của quần thể qua mỗi thế hệ về mặt lí thuyết được tính như sau: Giả sử quần thể ban đầu có thành phần kiểu gen bất kì : P = xAA + yAa + zaa (0 ≤ x, y, z ≤ 1 ; x + y + z = 1) Qua tự phối liên tiếp thì ở thế hệ Fn, ta có: 1 1 Aa = y.( )n (Đặt y.( )n = α ) 2 2 y −α AA = x + ; 2 y −α aa = z + 2 Nếu quần thể giao phối gần, giao phối có lựa chọn thì thành phần kiểu gen của quần thể thay đổi tương ứng với kiểu lựa chọn giao phối của các cá thể : - Giao phối giữa các cá thể có cùng kiểu hình - Giao phối giữa các cá thể có kiểu hình khác - Giao phối giữa các cá thể có biểu hiện ưu thế lai với nhau, ... 4.2. Một số ví dụ Ví dụ 1. Một quần thể ban đầu có 1000 cá thể gồm các kiểu gen như sau : P = 400AA + 400Aa + 200aa Nếu quần thể tự thụ phấn liên tiếp thì đến thế hệ F4, nếu kích thước quần thể tăng lên 2000 cá thể thì số cá thể thuộc mỗi kiểu gen là bao nhiêu? Giải: - Thành phần kiểu gen : P = 0,4AA + 0,4Aa + 0,2aa - Khi tự thụ phấn liên tiếp đến F4, ta có : 1 Aa = 0,4. ( ) 4 = 0,025 ; 2 14 0,4 − 0,025 = 0,5875 2 0,4 − 0,025 aa = 0,2 + = 0,3875 2 - Vậy số cá thể thuộc mỗi kiểu gen là : AA = 0,5875 x 2000 = 1175 Aa = 0,025 x 2000 = 50 aa = 0,3875 x 2000 = 775 AA = 0,4 + Ví dụ 2. Ở một quần thể cá, khi đạt trạng thái cân bằng di truyền có tỉ lệ cá màu xám : cá màu đỏ = 1 : 24. Nếu xảy ra hiện tượng giao phối có lựa chọn (chỉ những con cùng màu mới giao phối với nhau) qua 2 thế hệ. Xác định thành phần kiểu gen của quần thể ở thế hệ thứ hai. Biết gen quy định màu đỏ là trội hoàn toàn so với gen quy định màu xám, gen nằm trên NST thường. Giải: - Quy ước : A quy định cá màu đỏ ; a quy định cá màu xám, tần số của A và a lần lượt là p và q. - Do quần thể đang ở trạng thái cân bằng di truyền nên : q2 = 1/25 = 0,04 ---> q = 0,2 ; p = 1 - 0,2 = 0,8 - Cấu trúc di truyền của quần thể ở trạng thái cân bằng : 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa = 1 - Quần thể xảy ra giao phối có lựa chọn sau 2 thế hệ: Trong số những con màu đỏ thì AA chiếm 2/3 ; Aa chiếm 1/3 ==> P (màu đỏ x màu đỏ) = (0,667 AA : 0,333Aa) x (0,667 AA : 0,333Aa) ==> F1 : 0,666AA : 0,266Aa : 0,028aa P (màu xám x màu xám) = 0,04(aa x aa) ---> F1 : 0,04aa Tổng thế hệ F1 có được là : 0,666AA + 0,266Aa + 0,068aa F1 x F1 : Tương tự như trên, ta có cấu trúc di truyền của quàn thể F2 là : 0,686AA + 0,228Aa + 0,086aa = 1. 4.3. Nhận xét - Giao phối không ngẫu nhiên chỉ làm thay đổi thành phần kiểu gen mà không làm thay đổi tần số alen của quần thể. - Nếu quần thể tự phối thì tỉ lệ đồng hợp tăng dần, tỉ lệ dị hợp giảm một nửa qua mỗi thế hệ. - Nếu quần thể giao phối có lựa chọn thì thành phần kiểu gen thay đổi tương ứng với kiểu lựa chọn giao phối. 15 5. SỰ THAY ĐỔI VỐN GEN CỦA QUẦN THỂ DƯỚI ÁP LỰC CỦA CÁC YẾU TỐ NGẪU NHIÊN 5.1. Cơ sở lí luận Các yếu tố ngẫu nhiên (còn gọi là biến động di truyền hay phiêu bạt di truyền) là các yếu tố bất thường của thời tiết (hạn hán, lũ lụt, ...) hoặc các yếu tố ngẫu nhiên làm giảm kích thước của quần thể một cách đáng kể. Các yếu tố ngẫu nhiên gây nên sự biến đổi tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể không theo một hướng xác định. Sự thay đổi vốn gen của quần thể do các yếu tố ngẫu nhiên thường là đột ngột, thậm chí có thể loại bỏ hoàn toàn một alen nào đó trong quần thể, cho dù alen đó có lợi hay có hại. Quần thể có kích thước lớn, phân bố rộng, tính đa hình cao thì tác động của các yếu tố ngẫu nhiên càng nhỏ. Ngược lại, quần thể càng có kích thước nhỏ thì càng dễ bị thay đổi tần số alen và thành phần kiểu gen do các yếu tố ngẫu nhiên. 5.2. Một số ví dụ Ví dụ 1. Quần thể ban đầu có tần số alen A = 0,6 và a = 0,4. Biêt quần thể đang cân bằng di truyền và có 1000 cá thể. Nếu do một yếu tố ngẫu nhiên mà số cá thể sống sót và sinh sản thuộc các kiểu gen chiếm tỉ lệ là : AA = 1/10 ; Aa = 1/20 ; aa = 3/4. Tính tần số tương đối của các alen A và a sau biến cố ngẫu nhiên. Giải: Do quần thể đang cân bằng di truyền nên thành phần kiểu gen là: 0,36AA + 0,48Aa + 0,16aa ==> Số cá thể tương ứng với các kiểu gen là : 360AA + 480Aa + 160aa Sau biến cố ngẫu nhiên, số cá thể còn sống sót và sinh sản thuộc mỗi kiểu gen là : 36AA + 24Aa + 120aa ==> 1/5AA + 2/15Aa + 2/3aa ==> Tần số tương đối của các alen : A ≈ 0,27 ; a ≈ 0,73. Ví dụ 2. Quần thể ban đầu đang ở trạng thái cân bằng có 2000 cá thể. Tần số alen A = 0,85. Khu sinh sống của quần thể bị một trận bão tràn qua làm cho 100% số cá thể AA và 50% số cá thể Aa bị chết. Sau đó quần thể lại giao phối ngẫu nhiên để đạt kích thước 1500 cá thể. Tính số cá thể đồng hợp. Giải: - Tần số các alen : A = 0,85 ; a = 1 - 0,85 = 0,15 16 - Số cá thể thuộc mỗi kiểu gen : AA = 0,852 x 2000 = 1445 Aa = 2 x 0,85 x 0,15 x 2000 = 510 aa = 0,152 x 2000 = 45. - Sau trận bão, số cá thể thuộc mỗi kiểu gen còn lại là : 17 3 255Aa + 45aa <=> Aa + aa 20 20 ==> Tần số các alen : A = 0,425 ; a = 0,575 - Số cá thể đồng hợp sau trận bão là : (0,4252 + 0,5752) x 1500 = 766,8 (≈ 767 cá thể) Ví dụ 3. Ở một quần thể, tần số của các alen là 0,7A và 0,3a. Quần thể này bị tiêu diệt gần hết sau một trận dịch, chỉ còn lại 4 cá thể có khả năng sinh sản được. Hỏi xác suất để sau một số năm, quần thể có 100% cá thể là AA (giả sử không xảy ra đột biến) là bao nhiêu? Giải: - Cấu trúc di truyền của quần thể là : 0,49AA + 0,42Aa + 0,09aa = 1 - Vì quần thể không bị chọn lọc và đột biến, do đó từ 4 cá thể trở thành 100% AA thì 4 cá thể đó phải đều có kiểu gen AA. - Xác suất 4 cá thể đều là AA là : (0,49)4 = 0,0576 ==> Vậy xác suất để sau một số năm quần thể có 100% cá thể AA là 5,76%. 5.3. Nhận xét Sự thay đổi vốn gen của quần thể do các yếu tố ngẫu nhiên thường là đột ngột, không theo một hướng xác định. 17 PHẦN BA : KẾT LUẬN 1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Năm học 2011 - 2012, tôi được nhà trường phân công dạy các lớp khối 12 là lớp 12B1 và 12B3 (đều là các lớp thuộc Ban KHTN). Tôi đã triển khai đề tài này ở lớp 12B1, còn ở lớp 12B3 không triển khai đề tài, vẫn dạy học dựa trên Chuẩn kiến thức kĩ năng và sách giáo khoa thuộc Chương trình Nâng cao. Năm học 2012 - 2013, tôi được nhà trường phân công dạy các lớp khối 12 là lớp 12C5, 12C6 và 12C8 (lớp 12C5 thuộc Ban KHTN, lớp 12C6 và 12C8 là các lớp thuộc Ban Cơ bản). Tôi đã triển khai đề tài này ở lớp 12C5, còn ở lớp 12C6 và 12C8 không triển khai đề tài, vẫn dạy học dựa trên Chuẩn kiến thức kĩ năng và sách giáo khoa thuộc Chương trình Chuẩn. Kết quả thu được như sau: 1.1. Các kĩ năng, thái độ được hình thành ở học sinh 1.1.1. Năm học 2011 - 2012 Các kĩ năng, thái độ được hình thành ở học sinh Hiểu tường tận nhân tố tiến hóa nào làm thay đổi tần số alen, nhân tố tiến hóa nào làm thay đổi thành phần kiểu gen của quần thể Biết được nhân tố nào làm giàu vốn gen của quần thể, nhân tố nào làm nghèo vốn gen của quần thể; nhân tố nào làm thay đổi tần số alen của quần thể nhanh chóng, nhân tố nào làm thay đổi tần số alen của quần thể rất chậm. Hiểu được nhân tố tiến hóa nào là có hướng, nhân tố tiến hóa nào là vô hướng. Vận dụng được các kiến thức để giải các bài tập có liên quan đến sự thay đổi vốn gen của quần thể dưới áp lực của các nhân tố tiến hóa. Có hứng thú khi học tập bộ môn Sinh học (phần Tiến hóa) Lớp 12B1 (triển khai đề tài) Sĩ số : 46HS SL % Lớp 12B3 (không triển khai đề tài) Sĩ số : 48HS SL % 45 97,8 39 81,3 46 100 40 83,3 43 93,5 35 72,9 44 95,7 02 4,2 43 93,5 15 72,9 18 1.1.2. Năm học 2012 - 2013 Các kĩ năng, thái độ được hình thành ở học sinh Hiểu tường tận nhân tố tiến hóa nào làm thay đổi tần số alen, nhân tố tiến hóa nào làm thay đổi thành phần kiểu gen của quần thể Biết được nhân tố nào làm giàu vốn gen của quần thể, nhân tố nào làm nghèo vốn gen của quần thể; nhân tố nào làm thay đổi tần số alen của quần thể nhanh chóng, nhân tố nào làm thay đổi tần số alen của quần thể rất chậm. Hiểu được nhân tố tiến hóa nào là có hướng, nhân tố tiến hóa nào là vô hướng. Vận dụng được các kiến thức để giải các bài tập có liên quan đến sự thay đổi vốn gen của quần thể dưới áp lực của các nhân tố tiến hóa. Có hứng thú khi học tập bộ môn Sinh học (phần Tiến hóa) Lớp 12C5 (triển khai đề tài) Sĩ số : 46HS SL % Lớp 12C6 (không triển khai đề tài) Sĩ số : 49HS SL % 45 97,8 25 51,0 43 93,5 17 34,7 43 93,5 18 36,7 40 87,0 01 2,0 36 78,3 10 20,4 1.2. Kết quả thi học sinh giỏi và thi Đại học, Cao đẳng Lớp 12B1 năm học 2011 - 2012 : - Học sinh giỏi : 1 giải Nhất cấp tỉnh Giải toán bằng máy tính bỏ túi môn Sinh học (em Nguyễn Đình Thế); 3 giải Ba cấp tỉnh môn Sinh học - Kết quả thi Đại học năm 2012 : Số học sinh dự thi Khối B là 43, trong đó điểm trung bình môn Sinh học đạt 5,1 điểm. Lớp 12C5 năm học 2012 - 2013 : - Học sinh giỏi cấp tỉnh : có 1 giải Nhì, 1 giải Ba, 3 giải KK (trong đó 1 giải KK cấp tỉnh Giải toán bằng máy tính bỏ túi môn Sinh học) - Kết quả thi khảo sát chất lượng lớp 12 các môn thi Đại học năm 2013 (tại trường) : Số học sinh dự thi là 42, trong đó điểm trung bình môn Sinh học đạt 5,97 điểm. Trong khi đó kết quả ở lớp 12B3 năm học 2011 - 2012 và lớp 12C6 năm học 2012 - 2013 đều kém xa : không có học sinh giỏi cấp tỉnh, số học sinh dự thi Đại học khối B ít (4 - 8 học sinh dự thi), điểm trung bình môn Sinh học rất thấp (trung bình 3 - 4 điểm). 19 2. NHỮNG THUẬN LỢI, KHÓ KHĂN TRONG QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI 2.1. Những thuận lợi - Sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban giám hiệu nhà trường - Sự ủng hộ nhiệt tình của Giáo viên chủ nhiệm và học sinh ở các lớp có triển khai đề tài - Bản thân tràn đầy nhiệt huyết trong việc giảng dạy bộ môn, muốn truyền cảm hứng học tập bộ môn Sinh học cho các em học sinh, nhất là phần Tiến hóa. 2.2. Những khó khăn - Nội dung đề cập đến trong đề tài này là khó với đa số học sinh. Do đó, nếu triển khai không tốt thì có thể không có tác dụng, thậm chí tác dụng ngược lại. - Phân phối chương trình dành cho phần này quỹ thời gian không nhiều (Chương trình Chuẩn khoảng 0,5 tiết ; Chương trình Nâng cao là 2 tiết). Vì vậy đề tài này chỉ có thể được triển khai ở những lớp học sinh có nhu cầu học bồi dưỡng ngoài giờ chính khóa và hướng dẫn học, làm bài tập ở nhà. 3. KIẾN NGHỊ, ĐỀ XUẤT Trong quá trình triển khai đề tài và từ những kết quả bước đầu thu được, tôi có một vài kiến nghị và đề xuất như sau : - Các cấp quản lí giáo dục khi ban hành Phân phối chương trình các môn học, không nên rập khuôn, cứng nhắc ấn định số tiết cho từng bài mà nên để cho giáo viên bộ môn có một hành lang đủ rộng để vận dụng, điều chỉnh trong giảng dạy cho phù hợp với nội dung kiến thức của bài học và phù hợp với trình độ học sinh của một lớp học cụ thể. - Tôi rất mong muốn được mở rộng nghiên cứu và áp dụng đề tài này cho các lớp học khác, các khóa học khác trong Trường THPT Triệu Sơn 2. Hy vọng rằng mong muốn này của tôi sẽ được các cấp quản lí giáo dục, Ban giám hiệu nhà trường trân trọng và tạo điều kiện hơn nữa. Dù sao đây cũng chỉ là kinh nghiệm nhỏ của cá nhân, tôi rất muốn chia sẻ với các đồng nghiệp và mong muốn nhận được sự quan tâm, góp ý từ các đồng chí. XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 19 tháng 5 năm 2013 Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác. Người viết Đặng Văn Sáu 20