Tích hợp kiến thức về quần thể

TÍCH HỢP KIẾN THỨC QUẦN THỂ MỤC LỤC PHẦN I. MỞ ĐẦU .................................................................................................................................4 I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................................................................4 II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................................................4 III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................................4 IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................................................................4 4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu ...............................................................................................4 4.2. Phƣơng pháp kế thừa ..................................................................................................................5 PHẦN II. NỘI DUNG ............................................................................................................................6 A – KHÁI NIỆM QUẦN THỂ ..............................................................................................................6 B – ĐẶC TRƢNG SINH THÁI CƠ BẢN CỦA QUẦN THỂ.............................................................7 I. CÁC MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CÁ THỂ TRONG QUẦN THỂ .........................................7 1. Những mối tƣơng tác âm ...........................................................................................................7 2. Mối tƣơng tác dƣơng..................................................................................................................9 II. ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC QUẦN THỂ ................................................................................. 12 1. Kích thƣớc quần thể ................................................................................................................ 12 2. Mật độ quần thể....................................................................................................................... 15 3. Tỉ lệ giới tính ............................................................................................................................ 18 4. Cấu trúc tuổi ............................................................................................................................ 18 5. Phân bố không gian của quần thể .......................................................................................... 21 5.1. Các dạng phân bố của cá thể ................................................................................................ 21 5.2. Sự cách ly và tính lãnh thổ ................................................................................................... 21 III – ĐỘNG HỌC SỐ LƢỢNG CÁ THỂ CỦA QUẦN THỂ ...................................................... 22 1. Tăng trƣởng quần thể ............................................................................................................. 22 1.1. Tỷ lệ tăng trưởng tính trên đầu cá thể.................................................................................. 22 1.2. Tăng trưởng theo hàm số mũ ............................................................................................... 24 1.3. Tăng trưởng theo mô hình logistic ....................................................................................... 25 2. Các nhân tố tác động kích thƣớc quần thể............................................................................ 29 2.1. Mức sinh sản của quần thể ................................................................................................... 29 2.2. Mức tử vong và mức sống sót ............................................................................................... 30 2.3. Xuất nhập cư và siêu quần thể ............................................................................................. 32 3. Điều chỉnh số lƣợng cá thể của quần thể ............................................................................... 34 4. Trạng thái cân bằng của quần thể ......................................................................................... 35 5. Biến động số lƣợng cá thể của quần thể ................................................................................ 36 C – NHỮNG ĐẶC TRƢNG DI TRUYỀN – TIẾN HÓA CƠ BẢN CỦA QUẦN THỂ ................ 39 I. CẤU TRÚC DI TRUYỀN CỦA QUẦN THỂ ........................................................................... 39 1. Vốn gen của quần thể .............................................................................................................. 39 1.1. Khái niệm vốn gen của quần thể .......................................................................................... 39 1.2. Tần số tương đối của các alen và tần số kiểu gen ............................................................... 39 1.3. Đa hình di truyền quần thể ................................................................................................... 40 2. Cấu trúc di truyền các quần thể ............................................................................................ 41 2.1. Quần thể vi khuẩn ................................................................................................................. 41 2.3. Quần thể sinh vật sinh sản vô tính ....................................................................................... 41 2.4. Quần thể tự phối (nội phối) [4]............................................................................................. 42 2.5. Quần thể giao phối (ngẫu phối) [4] ...................................................................................... 43 II. QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA CỦA QUẦN THỂ .......................................................................... 50 1. Đột biến .................................................................................................................................... 51 2. Di nhập gen .............................................................................................................................. 53 3. Các yếu tố ngẫu nhiên ............................................................................................................. 58 4. Chọn lọc tự nhiên: ................................................................................................................... 61 4.1. Tác động của chọn lọc tự nhiên ........................................................................................... 61 Giá trị thích nghi và hệ số chọn lọc ............................................................................................. 61 4.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả của chọn lọc ............................................................ 65 4.3. Điều kiện hoạt động của chọn lọc tự nhiên ......................................................................... 65 4.4. Các hình thức chọn lọc tự nhiên .......................................................................................... 65 4.5. Chọn lọc giới tính .................................................................................................................. 67 D – QUẦN THỂ NGƢỜI .................................................................................................................... 72 I. DI TRUYỀN QUẦN THỂ NGƢỜI ............................................................................................ 72 II. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUẦN THỂ NGƢỜI ........................................................................ 73 III. SỨC CHỨA TOÀN CẦU......................................................................................................... 74 E - MỘT SỐ BÀI TẬP TÍCH HỢP VÀ NÂNG CAO ...................................................................... 75 PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .............................................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 83 PHẦN I. MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Sinh giới bao gồm nhiều cấp độ tổ chức sống từ cấp nhỏ nhất là phân tử tới cấp lớn nhất là hệ sinh thái. Một trong những cấp tổ chức sống cơ bản nhất là quần thể. Trong hệ thống kiến thức sinh học THPT, quần thể được nghiên cứu ở các khía cạnh khác nhau một cách độc lập như di truyền học quần thể trong phần di truyền, tiến hóa nhỏ trong phần tiến hóa và quần thể trong phần sinh thái. Tuy nhiên, các nội dung này đều nói về một đối tượng là quần thể và có nhiều kiến thức liên quan đến nhau, có thể được sử dụng hỗ trợ để giải thích các vấn đề liên quan nhanh hơn, hoàn mỹ hơn. Mặt khác dạy học tích hợp là một xu hướng được đưa ra nhằm liên kết các kiến thức, giúp người học hiểu chuyên sâu về một vấn đề và phát triển năng lực. Bởi những lý do trên, chúng tôi lựa chọn dạy học tích hợp nội môn – đưa các kiến thức về quần thể vào trong cùng một chuyên đề “Tích hợp kiến thức quần thể”. Trong chuyên đề, HS tìm hiểu về các đặc trưng về sinh thái học, di truyền học cũng như tiến hóa của quần thể trong một thể thống nhất. Nhờ đó, HS có thể giải thích các vấn đề dựa trên kiến thức tích hợp dễ dàng hơn như giải thích các đặc trưng sinh thái nhờ lịch sử tiến hóa, phân tích rõ ảnh hưởng của các nhân tố tiến hóa qua sự biến đổi cấu trúc di truyền quần thể, ... Cuối mỗi phần, chúng tôi đưa ra định hướng tổ chức hoạt động dạy học – bao gồm những gợi ý về phương pháp dạy học cũng như một số câu hỏi giúp HS củng cố, mở rộng, nâng cao kiến thức. Kết thúc chuyên đề là một số bài tập tích hợp mà HS có thể gặp trong ôn thi học sinh giỏi. II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Hê thống kiến thức cơ bản và chuyên sâu về di truyền, tiến hóa và sinh thái học quần thể. - Định hướng tổ chức hoạt động dạy học – bao gồm những gợi ý về phương pháp dạy học cũng như một số câu hỏi giúp HS củng cố, mở rộng, nâng cao kiến thức. - Giới thiệu một số câu hỏi và bài tập tích hợp về quần thể. III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Khái niệm quần thể. - Một số đặc trưng của quần thể: Đặc trưng sinh thái, cấu trúc di truyền quần thể, tiến hóa của quần thể. - Quần thể người - Một số bài tập tích hợp và nâng cao IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu Tìm kiếm và xử lý thông tin, kết quả nghiên cứu của các đề tài liên quan đến quần xã sinh vật. 4 4.2. Phƣơng pháp kế thừa Kế thừa số liệu và những tư liệu của các công trình nghiên cứu có liên quan đến quần xã đã báo cáo tổng kết công khai, công bố, đăng tải trên các phương tiện thông tin chính thức. Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 5 PHẦN II. NỘI DUNG A – KHÁI NIỆM QUẦN THỂ Quần thể là một nhóm cá thể cùng loài, trải qua một thời gian nhiều thế hệ, đã cùng chung sống trong một khoảng không gian xác định mà trong đó các cá thể giao phối với nhau và được cách ly ở mức độ nhất định với các nhóm cá thể lân cận cũng thuộc loài đó (A.V. Iablokov, 1876). [5] Hình 1. Một số quần thể điển hình [12] Định nghĩa quần thể như vậy đã chỉ ra hai dấu hiệu rất cơ bản của quần thể: Thứ nhất, quần thể là một đơn vị độc lập trong tự nhiên, một tổ chức cơ sở của loài, có một lịch sử phát sinh và phát triển. Mỗi quần thể không phải là một nhóm cá hể cùng loài tập hợp một cách ngẫu nhiên trong một thời gian ngắn, mà chúng đã từng tồn tại trong thời gian tương đối dài (tính theo số thế hệ). Nhóm cá thể chỉ tồn tại một số ít thế hệ tại một không gian nào đó thì không gọi là quần thể. Ví dụ: loài chim cút (Sirrapthes paradosus) di cư tới miền Tây Bắc châu Âu, tại đây chúng làm tổ, đẻ trứng và ở vài thế hệ rồi lại rời đi khỏi, thì đó không gọi là quần thể. Thứ hai, quần thể là đơn vị sinh sản của loài. Đối với loài sinh sản hữu tính, đơn vị sinh sản nhỏ nhất là một cá thể lưỡng tính tự phối hoặc một cặp cá thể đơn tính giao phối, nhưng trong thực tế thì quần thể mới là đơn vị sinh sản của loài. Sự giao phối tự do giữa các cá thể là đặc trưng quan trọng của quần thể. Chính sự giao phối tự do đã đảm bảo cho quần thể như một cấu trúc tiến hóa tồn tại trong không gian và liên tục quan thời gian. Sự giao phối tự do giữa các cá thể trong nội bộ quần thể bao giờ cũng có tỉ lệ cao hơn giữa các cá thể thuộc các quần thể khác nhau trong cùng một loài. Giữa các cá thể thuộc các quần thể khác nhau của một loài thường tồn tại một mức độ cách ly nhất định bởi sự hiện diện của cách ly địa lý, cách ly sinh thái hay sinh học. Tuy nhiên, sự cách ly này chỉ là tương đối trong cùng một loài, nghĩa là chúng có thể trao đổi thông tin di truyền với nhau khi có điều kiện thuận lợi. Ví dụ như quần thể người. Định nghĩa quần thể nêu trên lấy giao phối tự do như là đặc trưng cơ bản nhất, vì vậy, định nghĩa chỉ vận dụng trên các loài sinh sản giao phối. Sự giao phối không thể có ở Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 6 những loài sinh sản vô tính, sinh sản sinh dưỡng, trinh sinh hay tự phối. Và những dạng sinh vật này vẫn sống thành từng tập hợp cá thể trong những quần thể tương tự. Tuy nhiên quần thể không biểu hiện rõ ràng là đơn vị sinh sản của loài nhưng vẫn là đơn vị của loài trong tự nhiên, bao gồm nhóm cá thể thuộc một dòng vô tính hay dòng tự phối hoặc những cá thể có nguồn gốc gần nhau, cùng chiếm một khu phân bố xác định. Như vậy, quần thể là một tập hợp cá thể cùng loài, chung sống trong một khoảng không gian xác định, vào một thời điểm nhất định, có khả năng sinh sản tạo ra thế hệ con cái hữu thụ. Quần thể không phải là một tập hợp cá thể ngẫu nhiên, nhất thời. Mỗi quần thể là một cộng đồng có lịch sử phát triển chung, có thành phần kiểu gen đặc trưng và ổn định. Quần thể có thể tiến hóa khi chọn lọc tự nhiên tác động lên các biến dị di truyền của các cá thể và làm biến đổi tần số của các đặc điểm khác nhau từ thế hệ này sang thế hệ khác. Khái niệm “quần thể” có thể dùng với những nội dung khác nhau thuộc các lĩnh vực sinh học khác nhau như sinh thái học, phân loại học, di truyền học, tiến hóa. Định hướng tổ chức dạy học: - GV yêu cầu HS nghiên cứu thông tin tài liệu, trình bày khái niệm và nêu ví dụ. - GV hướng dẫn HS phân tích các dấu hiệu của quần thể, từ đó xác định chính xác khái niệm quần thể ứng với mỗi loài sinh vật. B – ĐẶC TRƢNG SINH THÁI CƠ BẢN CỦA QUẦN THỂ Quần thể là một cấp tổ chức sống cơ bản với các đặc trưng sinh thái: Tỉ lệ giới tính, tuổi, mật độ, mức sinh sản – tử vong và sống sót, sự phân bố, khả năng thích ứng và chống chịu, kiểu tăng trưởng của quần thể, được thể hiện qua cấu trúc ổn định, các hoạt động sống và có khả năng tự điều chỉnh. I. CÁC MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CÁ THỂ TRONG QUẦN THỂ 1. Những mối tƣơng tác âm - Đấu tranh trực tiếp: Xảy ra do tranh giành về nơi ở, nơi làm tổ, vùng dinh dưỡng…Tuy đấu trang quyết liệt nhưng những con thua cuộc thì bỏ chạy, còn con thắng cuộc thì coi đó là thành công, không đến mức tiêu diệt kẻ yếu như trong đấu tranh khác loài. Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 7 Hình 2. Cạnh tranh cùng loài [12] - Quan hệ ký sinh - vật chủ: Sống ký sinh vào đồng loại không phải là không có trong quần thể, nhưng hiếm gặp. Ví dụ: Ở một số loài cá sống sâu, trong điều kiên khó khăn không thể tồn tại thành quần thể đông, con đực với lối sống ký sinh bám vào con cái, do đó con đực có kích thước rất nhỏ và một số cơ quan tiêu giảm đi. Hình 3. Ký sinh cùng loài ở cá Ceratias holboelli [12] - Quan hệ con mồi - vật dữ: Mối quan hệ này thể hiện dưới dạng ăn đồng loại và xuất hiện trong các cá thể của quần thể ở những hoàn cảnh rất đặc biệt. Ví dụ: Cá vược điều kiện dinh dưỡng xấu cá bố mẹ ăn con. Tính ăn đồng loại của các động vật bậc cao rất hiếm gặp, trừ một vài trường hợp khi con non mới sinh bị chết, con mẹ ăn xác của chúng để nuôi con tránh bị ô nhiễm. Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 8 Hình 4. Hiện tƣợng ăn thịt đồng loại [12] 2. Mối tƣơng tác dƣơng Quan hệ hỗ trợ là mối quan hệ giữa các cá thể cùng loài, chúng hỗ trợ nhau trong hoạt động sống như lấy thức ăn, chống lại kẻ thù, sinh sản, … làm tăng hiệu quả nhóm. Các cá thể trong nhóm khai thác được tối ưu nguồn sống của môi trường, một số cá thể giảm lượng tiêu thụ oxi. Sự phân chia thứ bậc và chức năng rõ ràng giữa các cá thể trong bầy đàn hình thành tổ chức xã hội sinh vật, giúp sinh vật chống chọi với điều kiện môi trường, chống lại kẻ thù. Trong nhóm các con non được chăm sóc tốt hơn. Do đó khả năng sống sót và sinh sản của cá thể trong quần thể trong nhóm tốt hơn. Một số ví dụ: Hiện tượng liền rễ cây ở những cây sống gần nhau và trao đổi chất dinh dưỡng cho nhau. Nếu có một cây bị chặt mất thì phần gốc cây còn lại có khả nâng nảy chồi nhanh hơn cây không liền rễ, đó là do gốc cây bị chặt sử dụng nước và muối khoáng từ cây liền rễ bên cạnh. Hình 5. Hiện tƣợng hỗ trợ cùng loài ở thực vật [12] Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 9 a. Hiện tƣợng liền rễ của hai cây thông nhựa mọc gần nhau b. Một cây bị chặt phần trên mặt đất c. Cây bị chặt nảy chồi sau một thời gian Ở động vật có hiện tượng sống thành bầy đàn. Sự tụ họp hay tập trung thành bầy đàn là hiện tượng phổ biến nhờ những pheramon họp đàn và sinh sản. Sự họp đàn có khi tạm thời để săn mồi, để đấu tranh chống lại vật giữ, để sinh sản…hoặc lâu dài đối với nhiều loài cá, chim…sống đàn. Hình 6. Quan hệ hỗ trợ cùng loài [12] Nhiều loài động vật có lối sống xã hội, trong đó còn thiết lập nên con đầu đàn bằng các cuộc đọ sức giữa các cá thể. Những thể thức nguyên khai của lối sống xã hội trên đem lại cho các cá thể của quần thể những lợi ích thực sự và cuộc sống yên ổn để chống trả với những điều kiện bất lợi của môi trường. Hình 7. Tổ chức xã hội của quần thể kiến [12] Nguyễn Duy Khánh Trường THPT Chuyên Hùng Vương SĐT: 0988222106 Trang 10