普通高中教科书·生物学必修2 遗传与进化.pdf

普 通 高 中 教 科 书生物学遗传与进化生物学必修 2遗传与进化普通高中教科书生物学必修2遗传与进化上海科学技术出版社上海科学技术出版社SHENGWUXUE绿色印刷产品绿色印刷产品定价:10.10 元必 修 2生物学必修 2普通高中教科书遗传与进化上海科学技术出版社主编：赵云龙周忠良本册主编：刘志学编写人员：（以姓氏笔画为序）阮文婕李竹青杨桦张秀珍陈曦责任编辑：何孝祥吴玥美术设计：蒋雪静普通高中教科书生物学必修 2遗传与进化上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版上海世纪出版(集团)有限公司上海科学技术出版社（上海市闵行区号景路 159 弄 A 座 9F-10F邮政编码 201101）发 行上海新华书店印 刷上海中华印刷有限公司版 次2022 年 2 月第 1 版印 次2022 年 2 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张8字 数177 千字书 号ISBN 978-7-5478-5342-9/G1044定 价10.10 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。DNA 是主要的遗传物质 探究 活动 1-1 探讨 DNA 分子双螺旋结构的发现过程并制作模型遗传信息通过复制和表达进行传递基因选择性表达导致细胞的差异化第 1 节第 2 节第 3 节有性生殖中的遗传信息传递 29第 1 节第 2 节第 3 节有性生殖中遗传信息通过配子传递给子代探究 建模 2-1 模拟减数分裂过程中染色体的变化亲代基因传递给子代遵循特定规律探究 建模 2-2 模拟植物花色性状分离性染色体上的基因传递与性别相关联遗传的分子基础 1第章第章122107344220383047目录1可遗传的变异 57第 1 节第 2 节第 3 节第 4 节基因重组造成变异的多样性基因突变是生物变异的根本来源染色体变异会导致性状变化人类遗传病可以检测和预防探究 活动 3-1 人类常见遗传病的调查分析和预防宣传生物的进化 91第 1 节第 2 节第 3 节多种证据表明生物具有共同祖先生物进化理论在不断发展探究 活动 4-1 探讨细菌耐药性与抗生素使用的关系探究 建模 4-2 模拟自然选择对种群基因频率的影响物种形成和灭绝是进化过程中的必然事件635870809299110第章第章348610210621 第 节第 章1遗传的分子基础1953 年，美国科学家沃森（J.D.Watson）和英国科学家克里克（F.Crick）等解析了 DNA 的双螺旋结构，标志着生物学 研究进入分子生物学时代。DNA 分子结构的阐明使得我们能够从分子层面对许多遗传学问题作出合理的解释。例如，什么是基因？基因与 DNA 具有怎样的关系？基因如何实现其功能？遗传信息怎样传递？诸如此类的问题都将在本章中得到解答。同时，从科学家们探究这些问题的历程中，我们能领悟到所蕴含的研究方法和科学精神。12遗传的分子基础第 1 章学习目标分 析 探 究 遗 传 物 质本质和结构的实验，发 展 科 学 思 维，培养 严 谨 细 致 的 探 究意 识 和 实 事 求 是 的科学精神。概 述 多 数 生 物 的 遗传 物 质 是 DNA，有些 病 毒 的 遗 传 物 质是 RNA。概述 DNA 分子由四种脱氧核苷酸构成，遵循碱基互补、反向平 行 原 则 形 成 双 螺旋 结 构，海 量 的 遗传 信 息 储 存 在 四 种碱基的排列顺序中。概念聚焦多 数 生 物 的 遗 传 物质 是 DNA，有 些病 毒 的 遗 传 物 质 是RNA。DNA 分 子 中 碱 基 的排 列 顺 序 储 存 着 遗传信息。第 节DNA 是主要的遗传物质1“种瓜得瓜，种豆得豆”是指子代会表现出与亲代相同或相似的性状，这与亲代传递给子代的遗传物质相关。遗传物质的化学本质是什么？其结构如何？又是以何种形式储存遗传信息的？格里菲斯的肺炎链球菌转化实验肺炎链球菌有多种类型，其中一种在细胞外具有多糖荚膜，称为 S 菌，菌落较光滑、较大，小鼠感染后会死亡；另一种不具有多糖荚膜，称为 R 菌，菌落较粗糙、较小，小鼠感染后不会死亡。1928 年，英国科学家格里菲斯（F.Griffith）进行了肺炎链球菌转化实验，其主要过程及结果如图 1-1 所示。思考与讨论：分析以上转化实验，你能得出什么结论？图 1-1 格里菲斯转化实验主要过程及结果示意图3DNA 是主要的遗传物质第 1 节1 实验研究发现遗传物质是 DNA 或 RNA格里菲斯认为，有某种化学物质从加热灭活的 S 菌进入了活的 R 菌中，从而使 R 菌具有了 S 菌“使小鼠致死”的性状。他将这种物质称为“转化因子”。由于蛋白质结构复杂，而且是细胞生命活动的主要执行者，所以在很长的一段时间里，这种转化因子被认为是蛋白质。事实真的如此吗？肺炎链球菌的遗传物质是 DNA生物体中糖类、蛋白质、核酸等生物大分子分离技术的发展，为探究遗传物质的本质提供了可靠的技术和方法。1944 年，美国科学家艾弗里（O.Avery）等为了进一步探究格里菲斯提出的“转化因子”的化学本质，进行了肺炎链球菌体外转化实验。他们将 S 菌裂解，提取出较为纯净的蛋白质、RNA、DNA 等物质，分别与 R 菌混合，观察哪种物质能使 R 菌转化成 S 菌。实验结果如表 1-1 所示。表 1-1 艾弗里“肺炎链球菌体外转化实验”的主要结果组别对 R 菌的处理培养结果1加入 S 菌的 DNA多数仍为 R 菌，少数转化为 S 菌2加入 S 菌的 DNA+DNA 酶*仍为 R 菌3加入 S 菌的蛋白质仍为 R 菌4加入 S 菌的荚膜多糖仍为 R 菌5加入 S 菌的 RNA仍为 R 菌*DNA 酶可降解 DNA。艾弗里的实验结果表明：几种物质中，只有 DNA 能够导致转化现象发生，且 DNA 的纯度越高，转化的效率越高；用DNA 酶对 DNA 提取物进行处理，则不能使 R 菌发生转化。R 菌转化为 S 菌之后，经细胞分裂产生的子代仍为 S 菌。艾弗里由此得出结论：格里菲斯所说的“转化因子”不是蛋白质，而是 DNA。这项历时 15 年的研究首次证明了DNA 可作为遗传物质。T2 噬菌体的遗传物质是 DNA1952 年，美国科学家赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）以 T2 噬菌体为材料，利用放射性同位素标记技术，更加直观地证明了 DNA 是遗传物质。想 一 想 格 里 菲 斯 和 艾弗 里 转 化 实 验 的 实 验思路有什么不同。学习提示4遗传的分子基础第 1 章T2 噬菌体是一种 DNA 病毒，可侵染大肠杆菌。T2 噬菌体的化学成分只有蛋白质和 DNA，DNA 包裹在头部蛋白质外壳内（图 1-2）。赫尔希等用放射性同位素35S 和32P 分别标记噬菌体的蛋白质和 DNA 后，分别侵染不含放射性同位素的大肠杆菌。然后进行搅拌，再通过离心使混合物分离成上清液和沉淀物两部分。上清液中主要是较轻的噬菌体外壳，沉淀物主要是较重的、被侵染的大肠杆菌细胞。分别测定这两部分的放射性（图 1-3）。图 1-2 T2 噬菌体的结构示意图图 1-3 赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染细菌实验示意图检测结果表明：当使用35S 标记时，大肠杆菌中几乎无放射性；当使用32P 标记时，放射性则主要集中在大肠杆菌细胞内。这说明噬菌体在侵染时，其 DNA 进入细菌，而蛋白质留在细菌外。由此得出结论：T2 噬菌体的遗传物质是 DNA。那么，T2 噬菌体的 DNA 是如何进入大肠杆菌细胞内的呢？T2 噬菌体侵染大肠杆菌时，首先附着在大肠杆菌表面并识别其特异性受体，识别成功后，尾针像注射器的针头那样插入大肠杆菌细胞，将头部中的 DNA 经中空的颈部注入细菌内，而蛋白质外壳则留在细胞外。在大肠杆菌细胞内，T2 噬菌体的各个部分在 DNA 指导下合成，然后组装成子代噬菌体并释放（图 1-4）。5DNA 是主要的遗传物质第 1 节图 1-5 烟草叶片感染 TMV后产生的病斑烟草花叶病毒的遗传物质是 RNA烟草花叶病毒（TMV）是一种 RNA 病毒，只含有 RNA 和蛋白质衣壳。蛋白质衣壳由一定数目的蛋白质分子整齐排列成管状，包裹着弹簧状的RNA。烟草叶片感染 TMV 后会产生病斑（图 1-5）。那么，TMV 的遗传物质是蛋白质，还是 RNA 呢？1955 年，美国科学家弗伦克尔 康拉特（H.Fraenkel-Conrat）和威廉姆斯（R.Williams）从 A、B 两种类型 TMV 中分离出蛋白质和 RNA，并重新组合成两种有活性的重组 TMV。用重组 TMV 去感染烟草，并从病斑处收集子代 TMV，鉴定其类型（图 1-6）。结果表明，决定子代 TMV 类型的物质是 RNA，而不是蛋白质。这说明 TMV 的遗传物质是 RNA，而不是蛋白质。图 1-4 T2 噬菌体侵染大肠杆菌过程示意图图 1-6 烟草花叶病毒（TMV）重组实验示意图6遗传的分子基础第 1 章格里菲斯、艾弗里、赫尔希、蔡斯、弗伦克尔 康拉特和威廉姆斯等用科学实验探究了“遗传物质的化学本质”。之后，科学家经过不断研究，明确了绝大多数生物的遗传物质是 DNA，RNA 病毒的遗传物质是 RNA。2 绝大多数生物的遗传信息蕴含在DNA 结构中DNA 作为主要遗传物质，储存着大量的遗传信息。遗传信息是以什么形式储存在 DNA 中的？诠释这一问题必须从DNA 分子的组成和结构入手。DNA 是一种长链大分子，由多个脱氧核糖核苷酸连接而成，每个脱氧核糖核苷酸中含有磷酸基团、脱氧核糖和碱基，其碱基主要有 4 种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。脱氧核糖上有 5 个碳原子，依次编号为 15。相邻的脱氧核糖通过 5 碳和 3 碳之间形成的磷酸二酯键相连，组成“磷酸 脱氧核糖 磷酸 脱氧核糖”的结构，成为 DNA单链的基本骨架；碱基连接在脱氧核糖的 1 碳上（图 1-7）。DNA 单链的这种连接方式决定了其方向性：单链的一个末端的脱氧核糖 5 碳上的羟基没有参与形成磷酸二酯键，这一末端称为 5 端；另一个末端的脱氧核糖 3 碳上的羟基没有参与形成磷酸二酯键，这一末端称为 3 端（图 1-8A）。按照国际惯例，书写 DNA 单链的碱基顺序时，常以左端表示 5 端，如 ACGCGGT 表示 5 端为 A、3 端为 T 的 DNA 单链。生物体中的 DNA 通常以双链形式存在。DNA 双链中，两条 DNA 单链主要借助彼此碱基之间的氢键结合在一起。通常情况下，A 与 T 配对，形成 2 个氢键；G 与 C 配对，形成 3个氢键（图 1-8B）。DNA 双链中的任意一端，既含一条单链的 5 端，也含另一条单链的 3 端。也就是说，DNA 双链中的两条单链是反向平行的。DNA 分子中的两条单链虽然是平行的，但其走向并不是直线，而是由两条单链盘绕，形成双螺旋结构（图 1-8C）。这种结构像一座“旋梯”：两条单链之间的碱基对处于螺旋的内部，层层相叠，形成了旋梯的踏板；磷酸基团和脱氧核糖组成的骨架形成旋梯踏板的支架。图 1-7 两个胞嘧啶脱氧核糖核苷酸形成磷酸二酯键示意图A-T、G-C 的 碱 基 互补 配 对 方 式 使 DNA分 子 双 螺 旋 结 构 具 有较高的稳定性。DNA 分子的结构与其作 为 遗 传 物 质 的 功 能相适应。学习提示7DNA 是主要的遗传物质第 1 节图 1-8 DNA 分子结构示意图人类细胞核中的 DNA 约含有 60 亿个碱基对（bp）。其中，最长的一条 DNA 分子上有多达 2.5 亿个碱基对。可以设想一下，这些碱基的不同排列方式会产生多么惊人的信息量。事实上，生物的遗传信息就是以碱基序列的形式储存在DNA 分子中的。1-1 探讨 DNA 分子双螺旋结构的发现过程并制作模型探究活动