特征|AP生物：关于进化论你不得不知道的二三事... 进化论|理论|有利|研究|theory

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所有的生物体，比如细菌、狒狒、蓝莓以及…我们人类，都是从不同的物种进化而来的。
尽管，如今地球上的生物看起来并没有什么大的变化。比如，相比一百年前的人们，今天的我们也并没有多长出一对翅膀，但事实并非如此。
进化(evolution)其实是一个持续进行的过程。
进化论(evolutionary theory)是统领生物学的理论，也就是说，它是生物学家提出关于生命的问题的理论基础和框架。
在乌克兰出生的美国遗传学家西奥多修斯·多布赞斯基(Theodore Dobzhansky)有句名言:

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nothing makes sense in biology except in the light of evolution.
“所有生命都是从一个共同的祖先进化而来，并发展成不同的物种。 ”
这一信条是我们研究生物学中所有问题的根基。
今天我们将一起走进奇妙的生物世界，进化论的宏图正在我们面前徐徐展开。
本文目录
1
Evolutionary Theory and Natural Selection
2
Important Concepts in Evolutionary Theory
3
Other Mechanisms
01
Evolutionary Theory
and Natural Selection
我们在前言念叨了这么久的进化论，这到底是何方神圣？
简单来说， evolutionary theory指的是一系列研究生物种群(populations)究竟是通过什么样的机制逐渐适应环境的理论。
这样的科学理论可不仅仅是一个停留在纸面上的推测，而是一个由严谨的科学实验、分析和观察所支持的模型。
在19世纪中期，通过大量对自然的观察和研究，两位博物学家Charles Darwin和Alfred Russel Wallace ，各自构想并提出了进化的实际机制。
Darwin把这种机制称为自然选择 (natural selection) 。自然选择，也被称为“适者生存” ，指的是具有有利特征的个体在特定环境中生存下来的数量更多，得以繁殖后代。
这导致了进化的发生——因为随着一代又一代生物体将有利特征传递下去，拥有有利特征的个体在群体中的占比会不断增加。

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【Attention!?? 】
有利特征(beneficial trait)指的是在特定环境中能够帮助生物体更好地进行生存和繁衍的特征。
一个特征是否有利并不是绝对的，而是相对于生物体的环境而言！
深色鸟或许能够更好地在丛林中隐藏自己，但在白皑皑的雪地里这么明显的颜色它们早就死光光了…

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例如，达尔文观察到在加拉帕戈斯群岛发现的一群巨型陆龟的脖子比那些生活在其他干燥低地岛屿上的陆龟的脖子更长。
这些长颈龟之所以能被自然“选中” ，是因为相比那些短脖子乌龟，它们能够接触到更多的树叶，从而获得更多的食物。
在干旱时期，可以食用的新鲜叶子更少，那些能够获得更多叶子的长颈龟就能比那些无法获得足够食物的短脖子乌龟获得更多的机会进食，从而生存下来。
因此，长颈龟更有可能繁殖成功，并将长颈这一特征传递给它们的后代。随着时间的推移，长颈龟在种群中的占比会越来越大，导致进化的发生。

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【真题速递1】

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【答案&解析】
这是一道通过分析数据得出结论的题目。
解决这道题目有两个关键点：首先我们需要知道，某种颜色的moths被recapture的比例越高，意味着在一段时间后这种moths在群体中的占比越高，表示这种moths生存和繁衍的成功率越高，因此我们可以排除C、D 。
其次，我们可以通过分析表格中的数据推知light-colored moths在unpolluted和polluted environment中的recapture rate没有很大差别(13% v.s. 12%) ，而dark-colored moths在polluted environment中的recapture rate要远远高于unpolluted environment 。综上所述，我们可以推断答案为B 。
【真题速递2】

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【答案&解析】
尽管prairie dogs的warning bark有可能暴露自己，当周围住的是自己的亲缘时，它们还是会give warning bark ，让听到警告的亲属把自己藏起来，这有助于提升整个family生存和繁衍的成功率，因此答案应该选择A 。
02
Important Concepts in
Evolutionary Theory
关于evolutionary theory有几个需要我们特别注意的要点：
(1)evolutionary theory研究的是种群(population) ，而不是个体
种群指的是在一个特定的地理区域内，由一个物种里一起生活并互相交配的个体们所组成的群体。进化是总是在群体里随着时间的推移发生，个体本身并不进化。
(2)自然种群往往表现出对于单一性状(trait)的呈现方式多样性
这是natural selection能够发生的基础。比如在上文提到的乌龟的例子，脖子的长度就是一个性状，而乌龟们的脖子的长度各不相同，呈现了多样性，这对环境对长颈龟的“选择”提供了基础。

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而这种性状的多样性的根源是什么呢？
生物所表现出来的特征都是由基因决定的，而基因突变(gene mutation)则是遗传变异的最终来源。 Mutation指的是有机体DNA序列的变化。
【Attention!??】
Mutation并不是为了解决生物的生存问题而“特意”发生的，它永远是随机产生的。
Mutation导致生物体对于统一性状呈现出不同的表现形式，而natural selection依赖并作用于这一多样性上。
科学家是如何衡量一个群体的遗传多样性的呢？以及我们如何能够判断在一个群体进化是否有发生呢？
一个种群的遗传结构的呈现形式包括：
1. 等位基因比例(allele frequency)：某一特定等位基因(allele)在基因池中的占比；
2. 基因型比例(genotype frequency)：特定基因型(genotype)在群体中的占比。
基因池(gene pool)指的是一个群体中某一特定基因的所有等位基因的总和。
就像同一种性状有不同的表现形式一样（比如不同种族的人拥有黑色、棕色、金色不同颜色头发），不同的等位基因是特定基因的变型（比如特定基因X编码人类的发色， X1、X2、X3就是X的三个等位基因，分别编码三种不同的发色）。
下面这张图就是一个基因池的例子。
每个椭圆代表一个个体，对于特定基因X ，每个个体拥有两个等位基因的组合对这个特征进行编码，那么就可能有X1X1、X1X2、X1X3、X2X2、X2X3、X3X3这几种不同的自由排列组合方式，分别对应不同的性状。

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如果我们想要计算其中一个allele的frequency ，比如X1的allele frequency ，我们就可以先数出allele的数量，再确认x1的数量，最后allele frequency(x1)就等于number of X1/number of all alleles = 12/(30*2) = 20% 。
假如我们想计算基因组X1X1的genotype frequency ，计算方法就是先数出所有genotype的数量（等于个体的数量），然后再确认X1X1的数量，最后算出genotype frequency(X1X1)等于number of X1X1/number of population = 3/30 = 10% 。
现在我们就学会了如何描述一个群体的遗传结构。
在这样的视角下，进化可以被定义为一个群体从一代到下一代遗传结构的变化，或者说我们可以把进化理解为一个群体里的基因池的等位基因比例的变化。

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(3) 自然选择可以导致进化的发生，就像长颈龟的例子所展示的那样！
(4) 除了自然选择，其他机制也能导致进化的发生！
自然选择并不是导致进化发生的唯一机制！接下来让我们一起来看看还有哪些其他机制吧~
03
Other Mechanisms
3.1 Gene Flow
个体(及其基因)在种群间的迁移可以改变原种群和/或另一种群中的等位基因比例，从而导致进化的发生。

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3.2 Genetic Drift
Genetic drift是指从一代到下一代，等位基因比例的改变是由随机的mutation导致的，是偶然发生的变化。它对个体数量较少的群体的影响比较明显。

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3.3 Nonrandom Mating/Sexual Selection
如果个体与他们同伴的交配是非随机的，可能会导致等位基因比例的变化。非随机交配(nonrandom mating)的发生有很多原因，其中一个原因是对配偶的选择。
例如，雌孔雀可能更喜欢尾巴更大、更亮的雄孔雀，那么拥有这些特征的孔雀能够繁殖的机率更大，也更有可能把有利于吸引配偶的特征传给下一代。
3.4 Population Bottlenecks
Population bottlenecks指的是特定原因比如自然灾害(如洪水或地震)导致种群规模的大幅减少，显著减少了种群的基因多样性，大幅改变等位基因的比例。

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【Tips】
关于五种进化机制的记忆有一个特别妙的方法！那就是利用我们的五根手指进行联想：

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拇指--- Natural Selection：手指中的老大，对应最主要的进化方式！
食指--- Gene Flow：食指非常灵活，和基因的流动相对应
中指--- Genetic Drift：middle finger对应mutation ，基因突变导致genetic drift
无名指--- Non-random Mating：无名指用来佩戴戒指，与交配、繁殖有关
小指--- Population Bottleneck: 小指非常小，和种群规模骤减相对应
【真题速递3】

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【答案&解析】
在这道题里，导致拥有antibiotic resistance的bacteria在群体中的占比不断增加的最重要的机制应该是natural selection 。原本bacteria的基因具有多样性，有的携带resist antibiotic的基因，而有的没有。
在添加了antibiotics的环境中，携带resist antibiotic的基因的个体拥有更高的存活率和繁衍率，久而久之拥有antibiotic resistance的bacteria在群体中的占比便开始增加。
题目中没有有关gene flow的描述，我们无从得知不同bacteria population之间有没有个体的迁移；random variation难以在短短八年的时间内让拥有特定特征（即antibiotic resistance）的bacteria的占比急剧增加。所以选择D 。
结语
尽管evolutionary theory人尽皆知，其中一些细节却很容易让人产生错误的理解！
希望本期内容能够帮助你对AP生物这一重要考点拥有更加准确的认识！
最后，别忘了查收这份思维导图哦～我们下期再见！

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文 | Linda
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