HỆ THỐNG HOÁ CÔNG THỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP DITRUYỀN HỌC QUẦN THỂ TRONG TIẾN HOÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM NĂM HỌC 2014-2015 Giáo viên: Trần Thị Thuý Tổ Sinh- KTNN, Trường THPT Ch
Trang 1HỆ THỐNG HOÁ CÔNG THỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP DI
TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ TRONG TIẾN HOÁ
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM NĂM HỌC 2014-2015
Giáo viên: Trần Thị Thuý
Tổ Sinh- KTNN, Trường THPT Chuyên Võ Nguyên Giáp
MỞ ĐẦU
1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tiến hoá là chuyên đề Sinh học trừu tượng, đòi hỏi người học phải vận dụng nhiều kiến thức liên môn và kiến thức thực tiễn như: di truyền học, sinh thái học, giải phẩu học, địa lý, lịch , cổ sinh vật học…
Bài tập di truyền quần thể trong tiến hoá là một phần rất quan trọng, thường gặp nhiều trong các đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế trong những năm gần đây Việc giải bài tập quần thể cần vận dụng cả toán học, sinh học nên đòi hỏi học sinh phải tư duy cao để tìm ra phương pháp giải thích hợp Đây là một trong những kỹ năng khó nhất của học sinh đặc biệt là học sinh trong đội tuyển học sinh giỏi quốc gia
Qua nhiều năm giảng dạy chương trình chuyên sinh lớp 12, cũng như tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi phần tiến hoá, tôi nhận thấy đa số các em còn lúng túng khi giải các bài tập phần Tiến hoá, đặc biệt là các bài tập về các nhân tố tiến hoá Việc tìm kiếm tài liệu viết một cách đầy đủ và có hệ thống về các dạng bài tập quần thể trong tiến hoá
là rất khó khăn
Để giúp các em có phương pháp học tập hiệu quả, tôi đã sưu tầm, tham khảo các tài liệu và tự rút kinh nghiệm trong giảng dạy để đưa ra phương pháp giải một số dạng bài tập về các nhân tố tiến hoá cơ bản nhất làm tài liệu phục vụ giảng dạy cho bản thân, đồng thời góp một phần nhỏ cho đồng nghiệp trong việc tìm tòi, tham khảo tài liệu trong quá trình giảng dạy
Trang 2Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “ Hệ thống hoá công thức và phương pháp giải bài tập
di truyền học quần thể trong Tiến hoá – Sinh học 12”.
2 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
- Đã hệ thống hoá được các công thức tổng quát về các dạng bài tập di truyền quần thể trong tiến hoá một theo từng chủ đề nhỏ
- Thiết kế được các dạng bài tập và phương pháp giải các dạng bài tập di truyền quần thể trong tiến hoá
3 PHẠM VI ÁP DỤNG
- Đề tài được áp dụng để dạy học phần các nhân tố tiến hoá - Sinh học 12; áp dụng để luyện thi đại học và bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp quốc gia
Trang 3NỘI DUNG
1 THỰC TRẠNG GIẢI BÀI TẬP DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ TRONG TIẾN HOÁ CỦA HỌC SINH THPT
1.1 Các khó khăn gặp phải khi dạy phần tiến hoá và giải quyết các bài tập về tiến hoá.
Như đã đề cập ở trên, chuyên đề tiến hoá là một trong những chuyên đề khó của chương trình Sinh học phổ thông Nội dung chuyên đề chiếm 25% tổng số tiết của Sinh học 12 Đa số là kiến thức lý thuyết và bài tập vận dụng lý thuyết Nó cũng chiếm gần
25 % nội dung trong các kỳ thi đại học cũng như đề thi học sinh giỏi
Bài tập vận dụng kiến thức nằm tiềm ẩn trong kiến thức lý thuyết Chương trình sách giáo khoa không đưa ra các công thức vận dụng để tính toán, trong khi đó chương trình thi đại học và thi học sinh giỏi liên quan rất nhiều đến các bài toán này
Bài tập phần tiến hoá liên quan đến phần di truyền học và toán học Các tài liệu liên quan đến phương pháp giải các dạng bài tập này thường hiếm gặp Đây là điểm khó cho giáo viên và học sinh khi giải các bài tập liên quan đến phần tiến hoá
1.2 Thực trạng giải quyết các bài tập di truyền quần thể trong tiến hoá:
Theo điều tra các giáo viên dạy ở các trường THPT trong địa bàn, việc xây dựng
hệ thống công thức tổng quát và cung cấp phương pháp giải các dạng bài tập cho học sinh là rất hạn chế Đa số giáo viên (90%) chỉ chú trọng dạy kiến thức lý thuyết, chưa thật sự để ý đến phương pháp giải các bài tập tiến hoá
Nhiều học sinh (87%) khi gặp phải các bài tập di truyền học quần thể trong tiến hoá thường lúng túng, thậm chí bỏ qua không giải quyết được Điều này ảnh hưởng rất lớn đến kết quả kiểm tra và thi cử của các em
Các em học sinh rất mong muốn có được các phương pháp giải các bài tập tiến hóa cụ thể, nhanh chóng, dễ hiểu Vì vậy, giải pháp xây dựng hệ thống công thức và phương pháp giải các bài tập di truyền học quần thể trong tiến hoá là rất cần thiết
Trang 42 CÔNG THỨC TỔNG QUÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ TRONG TIẾN HOÁ
2.1 Hệ thống công thức tổng quát.
2.1.1 Đột biến
Để xác định áp lực của quá trình ĐB làm thay đổi tần số alen là không đáng kể ta xét dưới dạng mô hình toán học sau:
Giả sử1 locut có hai alen A và a Trên thực tế có thể xảy ra các trường hợp sau:
- Gen A đột biến thành gen a (đột biến thuận) với tần số u Chẳng hạn, ở thế hệ xuất phát tần số tương đối của alen A là po Sang thế hệ thứ hai có u alen A bị biến đổi thành a do đột biến Tần số alen A ở thế hệ này là: p1 = po – upo = po(1-u)
Sang thế hệ thứ hai lại có u của số alen A còn lại tiệp tục đột biến thành a Tần số alen A ơ thế hệ thứ hai là: P2 = p1 – up1 = p1(1-u) = po(1-u)2
Vậy sau n thế hệ tần số tương đối của alen A là: pn = po(1-u)n tương ứng với pn =
p0 e- un
+ p0 là tần số tương đối của alen ở quần thể ban đầu
+ u tốc độ đột biến theo chiều thuận
Từ đó ta thấy rằng: Tần số đột biến u càng lớn thì tần số tương đối của alen A càng giảm nhanh
Như vậy, quá trình đột biến đã xảy ra một áp lực biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể Áp lực của quá trình đột biến biểu hiện ở tốc độ biến đổi tần số tương đối của các alen bị đột biến
- Alen a cũng có thể đột biến thành A (đột biến nghịch) với tần số v
+ Nếu u = v thì tần số tương đối của các alen vẫn được giữ nguyên không đổi + Nếu v = 0 và u > 0 → chỉ xảy ra đột biến thuận
+ Nếu u ≠ v; u > 0, v > 0 → nghĩa là xảy ra cả đột biến thuận và đột biến nghịch Sau một thế hệ, tần số tương đối của alen A sẽ là: p1 = po – upo + vqo
Trang 5Kí hiệu sự biến đổi tần số alen A là ∆p
Khi đó ∆p = p1 – po = (po – upo + vqo) – po = vqo - upo
- Tần số tương đối p của alen A và q của alen a sẽ đạt thế cân bằng khi số lượng đột biến A→ a và a → A bù trừ cho nhau, nghĩa là ∆p = 0 khi vq = up Mà q = 1- p
→ up = v(1 – p) ↔ up + vp = v ↔ q u u v
v u
v p
2.1.2 Di nhập gen
Tốc độ di nhập gen (m) được tính bằng tỉ số giao tử mang gen di nhập so với số giao tử của mỗi thế hệ trong quần thể Cũng có thể tính bằng tỉ lệ số cá thể nhập cư so với tổng số cá thể của quần thể nhận.Ta có lượng biến thiên tần số alen A trong quần thể nhận sau một thế hệ di nhập gen là:
∆p = m(p0 – pm)
Trong công thức trên :
- po là tần số của alen A ở quần thể nhận
- pm là tần số alen A ở quần thể cho
Tần số tương đối của các alen sau một thế hệ có nhập cư là:
p1= p0 + m(p0-pm)
q1 = q0+ m(q0-qm)
2.1.3 Quá trình chọn lọc tự nhiên
Áp lực của chọn lọc tự nhiên tác động vào cả hai pha: pha đơn bội ( chọn lọc giao tử) và pha lưỡng bội trong chu kì sống của sinh vật bậc cao
a Chọn lọc giao tử
Quần thể có cấu trúc: p2AA + 2pq Aa + q2 aa = 1 Nếu như giá trị thích nghi (w) của giao tử mang A lớn nhất (w = 1), còn của giao tử mang a kém 1 (w < 1), nghĩa là 1 – S S là hệ số chọn lọc để chỉ mức độ chọn lọc loại bỏ một alen hay kiểu gen nào đó,
cụ thể là a
Trang 6Lượng biến thiên tần số q ở đây được xác định: q =sq1(1sq q)
∆q có giátrị âm chứng tỏ dưới tác dụng của chọn lọc giao tử q bị giảm Nếu sự chọn lọc như thế diễn ra hàng loạt thế hệ thì q bị giảm dần và cuối cùng alen a bị loại
ra khỏi quần thể
Chọn lọc pha đơn bội có ý nghĩa lớn với vi sinh vật và các sinh vật có pha đơn bội chiếm ưu thế Ở sinh vật bậc cao, chọn lọc giao tử biểu hiện rõ hơn ở động vật
b Chọn lọc pha lưỡng bội:
* Chọn lọc chống an len lặn: Quần thể có cấu trúc: p2AA + 2pq Aa + q2 aa = 1 Giả
sử giá trị thích nghi của các KG AA và Aa bằng 1, còn của a = 1 - S (t/h trội hoàn toàn) thì sau một chu kì chọn lọc, lượng biến thiên tần số alen a được xác định: q =
2
2
(1 )
1
Sq
Trường hợp này S = 1 ta có q = q q
1 2
Khi S = 1 sau n thế hệ chọn lọc được xác định: qn = 1 q nq
Khi biết giá trị ban đầu của q thì việc xác định số thế hệ n mà chọn lọc đòi hỏi để
làm giảm tần số alen a xuống qn theo công thức : n = q q
n
1 1
c Sự cân bằng giữa đột biến và chọn lọc:
Sự cân bằng áp lực chọn lọc và áp lực đột biến sẽ đạt được khi số lượng đột biến xuất hiện thêm bù trừ cho số lượng đột biến bị chọn lọc loại trừ đi
* Trường hợp 1 : Alen đột biến trội tăng lên với tần số u và chịu tác động của áp lực
chọn lọc S
Thế cân bằng các alen trong quần thể đạt được khi số lượng alen đột biến xuất hiện bằng số alen A bị đào thải đi, hoặc tần số các alen đột biến A xuất hiện phải bằng tần số alen A bị đào thải đi, tức là:
Trang 7u = p.S → p = u
S Nếu S = 1 → p = u nghĩa là A gây chết Lúc này tần số kiểu hình xuất hiện ra cũng biểu thị đột biến
* Trường hợp 2: Các alen đột biến lặn tăng Nếu các alen lặn không ảnh hưởng đến
kiểu hình dị hợp một cách rõ rệt, thì chúng được tích luỹ trong quần thể cho đến lúc có thể biểu hiện ra thể đồng hợp
Thế cân bằng đạt được khi tần số alen xuất hiện do đột biến bằng tần số alen bị đào thải
đi mà cá thể bị đào thải có kiểu gen aa chiếm tỉ lệ là q2
→ tần số alen a bị đào thải là: q2 S
Vậy quần thể cân bằng khi: u = q2 S → q2 = u q u
S S
2.1.4 Giao phối không ngẫu nhiên
Nếu trong một quần thể có f cá thể nội phối thì tần số các kiểu gen bằng :
(p 2 + fpq)AA + (2pq – 2fpq)Aa + (q 2 + fpq)aa
Hệ số nội phối được tính bằng:
1- [(tần số dị hợp tử quan sát được)/(tần số dị hợp tử theo lý thuyết)]
Hay bằng (tần số dị hợp tử theo lý thuyết – tần số dị hợp tử quan sát được)/tần số
dị hợp tử theo lý thuyết.
2.2 Hệ thống bài tập và phương pháp giải các bài tập di truyền học quần thể trong tiến hoá.
2.2.1 Bài tập đột biến:
a Bài tập có lời giải:
Bài 1: Một quần thể động vật 5.104 con Tính trạng sừng dài do gen A quy định, sừng ngắn do gen a quy định Trong quần thể trên có số gen A đột biến thành a và ngược lại, với số lượng bù trừ nhau Tìm số đột biến đó Biết A đột biến thành a với tần số v, với u
= 3v = 3.10-3
Trang 8Phương pháp giải:
Gọi : p là tần số của alen A và q là tần số của alen a
-Tổng số alen trong quần thể: 5.104 x 2 = 105 (alen)
-Tần số alen trội, lặn khi có cân bằng mới được thiết lập:
+Tần số alen a : qa = 3
3
u v v u = 0,75 +Tần số alen A : pA = 1- 0,75 = 0,25
- Số lượng mỗi alen trong quần thể:
+Số lượng alen A là: 0,25 105 = 2,5.104
+Số lượng alen a là: 0,75 105 = 7,5.104
- Số lượng đột biến thuận bằng đột biến nghịch và bằng
3.10-3 x 2,5.104 = 75 (alen) hoặc 10-3 x 7,5.104 = 74 (alen)
Bài 2: Giả sử 1 lôcut có 2 alen A và a, thế hệ ban đầu có tần số tương đối của alen A là
p0 Quá trình đột biến làm cho A → a với tần số u = 10-5
a) Để p0 giảm đi 21 phải cần bao nhiêu thế hệ?
b) Từ đó em có nhận xét gì về vai trò của quá trình đột biến trong tiến hoá?
Phương pháp giải:
a)Vì đột biến diễn ra theo chiều thuận, nên ta có:
pn = po (1- u)n
trong đó: pn: tần số alen trội (A) ở thế hệ pn; po: tần số alen trội (A) ở thế hệ po ; u: tốc
độ đột biến theo chiều thuận; n: số thế hệ
=>
2
1
po = po (1- 10-5)n <=> 0,5 = (1-10-5)n <=> ln0,5 = ln (1-10-5).n
=> n = 5
ln 0,5 ln(1 10 )
≈ 69.000 thế hệ
b) Nhận xét về vai trò của quá trình đột biến trong tiến hóa: gây áp lực không đáng kể cho quá trình tiến hóa
b Bài tập tự luyện
Trang 9Bài 1: Quần thể ban đầu có 1000000 alen A và a Tốc độ đột biến của alen A là 3.10-5, còn của alen a là 10-5 Khi cân bằng thì quần thể có số lượng của từng alen là bao nhiêu? Cho biết không tính áp lực của các nhân tố khác làm biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể?
Bài 2: Trong một quần thể gồm 2.105 alen Tần số alen a bằng 25% Khi quần thể có 7 alen A bị đột biến thành a và 11 alen a đột biến thành A thì tần suất đột biến trong mỗi trường hợp bằng bao nhiêu?
Bài 3: Trong một quần thể có 106 cá thể Tần số alen a = 15 % Trong quần thể có 5 alen A bị đột biến thành a và 7 alen a đột biến thành A thì tần số đột biến trong mỗi trường hợp bao nhiêu Giả thiết quần thể ban đầu cân bằng
2.2.2 Bài tập di nhập gen
a Bài tập có lời giải
Bài 1: Tần số tương đối của gen A ở quần thể I là 0,8; của quần thể II là 0,3 Tốc độ
di-nhập gen A từ quần thể (II) vào quần thể (I) là 0,2 Tính lượng biến thiên tần số tương đối của gen A
Phương pháp giải:
Tỉ lệ số cá thể nhập cư, lượng biến thiên tần số gen A trong quần thể nhận (I) là: ∆p = 0,2(0,3-0,8) = - 0,1
Giá trị này cho thấy tần số A trong quần thể nhận (I) giảm đi 0,1
Bài 2: Trong một quần thể có 16% mắt xanh, 20% số người di cư đến quần thể chỉ có
9% số người mắt xanh Giả sử mắt xanh do gen lặn quy định thuộc nhiễm sắc thể thường Tính tần số alen mắt xanh của quần thể mới?
Phương pháp giải:
Gọi a là gen quy định kiểu hình mắt xanh
Vì quần thể ngẫu phối nên
- Sự du nhập của gen lặn a vào quần thể làm cho quần thể có tần số alen a là
q1= n.qn+m.qm
qn là tần số alen a trước khi có du nhập = 0,4
qm là tần số alen a trong bộ phận mới du nhập = 0,3
Trang 10n và m là tỉ lệ so sánh kích thước của quần thể và của nhóm du nhập, theo bài giá trị n = 0,8 và m = 0,2
- Thay các giá trị vào biểu thức ta có tần số alen mắt xanh của quần thể mới là
q1= 0,8.0,4 + 0,2.0,3 = 0,38
Bài 3: a) Nêu các hình thức di-nhập gen phổ biến ở các nhóm sinh vật: dương xỉ và
nấm, thực vật có hoa, động vật ở nước thụ tinh ngoài, lớp thú
b) Cho biết tần số tương đối của alen A ở quần thể Y là 0,8; ở quần thể X là 0,3
Số cá thể của quần thể Y là 1600, số cá thể nhập cư từ quần thể X vào quần thể Y là
400 Hãy xác định tần số py của alen A trong quần thể Y ở thế hệ tiếp theo sau khi
di-nhập
Phương pháp giải
a) Các hình thức di-nhập gen:
- Dương xỉ và nấm: phát tán bào tử
- Thực vật bậc cao: phát tán hạt phấn, quả, hạt
- Động vật ở nước thụ tinh ngoài: di cư của các cá thể, phát tán giao tử theo nước
- Lớp thú: sự di cư của các cá thể
b) - Tốc độ di nhập gen: m = 400/(1600 + 400) = 0,2
- Sau một thế hê, lượng biến thiên tần số tương đối của alen A trong quần thể nhận Y là: p = 0,2 (0,3 – 0,8) = - 0,1 Như vậy, tần số tương đối của alen A trong quần thể nhận giảm xuống còn: pY = 0,8 – 0,1 =0,7
Bài 4: Một con sông có hai 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 hai 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.
Trang 11b Quần thể mới sinh sản Vì một lí do nào đó xảy ra quá trình đột biến: A a,
với tốc độ là 0,3% Không có đột biến ngược
- Tính tần số tương đối của các alen ở thế hệ tiếp theo của quần thể mới
Phương pháp giải:
a - Ta có: Quần thể chính có pA= 1, quần thể đảo: pA= 0,6
Quần thể chính di cư đến quần thể đảo và chiếm 12% quần thể mới Vậy quần thể đảo chiếm 88% trong quần thể mới
- Quần thể mới ở đảo (sau di cư) có tần số tương đối của các alen là:
pmới = 12% x 1 + 88% x 0,6 = 0,648
qmới = 1- pmới = 1- 0,648 = 0,352
b - Tần số đột biến: A thành a là: 0,3%
Tần số các alen sau đột biến là
pA= 0,648 - (0,3% x 0,648) = 0,646
qa = 1 - 0,646 = 0,354
b Bài tập tự luyện:
Câu 1: Xét một gen có 2 alen A và alen a Một quần thể sóc gồm 180 cá thể trưởng
thành sống ở một vườn thực vật có tần số alen A là 0,9 Một quần thể sóc khác sống ở khu rừng bên cạnh có tần số alen này là 0,5 Do thời tiết mùa đông khắc nghiệt đột ngột
60 con sóc trưởng thành từ quần thể rừng di cư sang quần thể vườn thực vật để tìm thức
ăn và hòa nhập vào quần thể sóc trong vườn thực vật
a) Tính tần số alen A và alen a của quần thể sóc sau sự di cư được mong đợi là bao nhiêu?
b) Ở quần thể sóc vườn thực vật sau sự di cư, giả sử tần số đột biến thuận (Aa) gấp 5 lần tần số đột biến nghịch (aA) Biết tần số đột biến nghịch là 10-5 Tính tần số của mỗi alen sau một thế hệ tiếp theo của quần thể sóc này
c) Giả sử tần số alen (a) của quần thể sóc sống ở quần thể rừng là 0,2575 và 0,5625 ở quần thể hỗn hợp(sau nhập cư), cho biết tốc độ nhập cư là 0,1 Tính tần số của alen (a) ở quần thể sóc ở vườn thực vật ban đầu?