《生物选修三思维导图》

一、 专题一：现代生物进化理论

1.1 现代生物进化理论的主要内容

1.1.1 种群是生物进化的基本单位

• 概念：同种生物生活在同一区域内的全部个体。
• 特征：
  • 种群基因库：种群中全部个体所含有的全部基因。
  • 基因频率：某个基因在种群基因库中所占的比例。计算公式：基因频率 = （该基因的数目/该基因及其等位基因的总数目）x 100%
  • 影响因素：突变、基因重组、自然选择等。
• 应用：哈迪-温伯格定律（理想状态下）：(p+q)² = p² + 2pq + q² (p、q分别代表两种等位基因的频率)
  • 条件：种群足够大，没有迁入迁出，没有突变，个体间随机交配，没有选择。
  • 意义：说明在没有进化因素影响时，基因频率和基因型频率在世代间保持不变。

1.1.2 突变和基因重组产生进化的原材料

• 突变：
  • 基因突变：基因结构的改变，产生新的等位基因。
    • 特点：普遍性、随机性、低频率、多害少利性、不定向性。
    • 类型：碱基对的替换、增添、缺失。
  • 染色体变异：染色体结构或数目的改变。
    • 结构变异：缺失、重复、倒位、易位。
    • 数目变异：染色体组的增加或减少。
• 基因重组：
  • 概念：在生物进行有性生殖的过程中，控制同一性状的等位基因分离，控制不同性状的非等位基因自由组合。
  • 类型：
    • 自由组合型：减数第一次分裂后期，非同源染色体上的非等位基因自由组合。
    • 交叉互换型：减数第一次分裂前期，同源染色体的非姐妹染色单体之间的交换。
• 意义：突变和基因重组产生的变异为生物进化提供原材料，是生物进化的内因。

1.1.3 自然选择决定生物进化的方向

• 概念：适者生存，不适者被淘汰。
• 过程：
  • 过度繁殖：生物具有很强的繁殖能力，后代的数量远远超过环境所能承受的数量。
  • 生存斗争：由于资源和空间的限制，生物个体之间、生物与环境之间进行激烈的竞争。
  • 遗传变异：生物个体存在着各种各样的变异，为自然选择提供选择的原材料。
  • 适者生存：经过生存斗争，适应环境的个体生存下来并繁殖后代，不适应环境的个体被淘汰。
• 本质：种群基因频率定向改变。

1.1.4 隔离导致新物种的形成

• 概念：不同种群间的个体，基因交流受阻，不能自由交配产生可育后代。
• 类型：
  • 地理隔离：由于地理障碍，不同种群间不能进行基因交流。
  • 生殖隔离：由于生理或行为上的差异，不同种群间不能进行基因交流。包括：
    • 婚配前隔离：交配行为、季节、时间等不同。
    • 婚配后隔离：杂交不育、杂交衰退等。
• 物种形成的方式：
  • 渐变式：长期地理隔离，导致基因频率发生显著差异，最终形成生殖隔离。
  • 突变式：突变直接导致生殖隔离。
  • 多倍体育种：染色体数目加倍，导致生殖隔离。

1.2 生物多样性的形成

• 遗传多样性：一个物种内的个体具有不同的基因组成。
• 物种多样性：地球上物种的丰富程度。
• 生态系统多样性：地球上生态系统的类型多样性。
• 形成原因：生物进化和自然选择的结果。
• 意义：维持生态系统的稳定，提供人类生存和发展的资源。

二、 专题二：生物与环境

2.1 生态系统的结构

2.1.1 生态系统的组成成分

• 非生物成分：阳光、空气、水、温度、土壤等。
• 生物成分：
  • 生产者：自养型生物，主要指绿色植物，能通过光合作用制造有机物。
  • 消费者：异养型生物，主要指动物，以生产者或其他消费者为食。
  • 分解者：异养型生物，主要指营腐生生活的细菌和真菌，能将动植物遗体和动物的排泄物分解成无机物。

2.1.2 食物链和食物网

• 食物链：生产者与消费者之间，由于食物关系而形成的一种联系。
  • 特点：单向流动，逐级递减。
  • 起点：生产者。
  • 终点：最高营养级。
• 食物网：生态系统中，许多食物链相互交错连接形成的复杂的营养结构。
  • 意义：维持生态系统的稳定。

2.1.3 生态系统的营养级

• 第一营养级：生产者。
• 第二营养级：以生产者为食的初级消费者。
• 第三营养级：以初级消费者为食的次级消费者。
• 以此类推。
• 能量流动特点：单向流动，逐级递减。能量传递效率约为10%-20%。

2.2 生态系统的功能

2.2.1 能量流动

• 概念：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。
• 途径：
  • 输入：生产者通过光合作用固定的太阳能。
  • 传递：能量沿食物链和食物网传递。
  • 转化：能量在不同营养级之间转化。
  • 散失：能量以呼吸作用产生的热能形式散失。
• 意义：维持生态系统的生命活动。

2.2.2 物质循环

• 概念：组成生物体的化学元素，在生物群落与无机环境之间循环往复的过程。
• 全球性：物质循环具有全球性，不受地域限制。
• 主要元素：碳、氮、硫、磷等。
• 碳循环：
  • 主要形式：CO₂。
  • 过程：光合作用、呼吸作用、燃烧。
  • 影响因素：化石燃料的燃烧、森林的破坏等。
• 氮循环：
  • 主要形式：N₂、NH₃/NH₄⁺、NO₂⁻、NO₃⁻。
  • 过程：固氮作用、硝化作用、反硝化作用。
  • 影响因素：农业生产、工业生产等。

2.2.3 信息传递

• 概念：生态系统中，生物之间以及生物与环境之间进行的信息交流。
• 类型：
  • 物理信息：光、声、温度、湿度等。
  • 化学信息：气味、激素等。
  • 行为信息：动物的行为。
• 意义：维持生态系统的稳定，调节种间关系，保证生态系统的正常运行。

2.3 生态系统的稳定性

2.3.1 抵抗力稳定性

• 概念：生态系统抵抗外界干扰并维持自身结构和功能稳定的能力。
• 影响因素：物种丰富度、营养结构的复杂程度。
• 关系：物种丰富度越高，营养结构越复杂，抵抗力稳定性越强。

2.3.2 恢复力稳定性

• 概念：生态系统受到破坏后恢复到原来状态的能力。
• 影响因素：生态系统的类型、受破坏的程度。
• 关系：抵抗力稳定性强的生态系统，恢复力稳定性往往较弱。

2.3.3 人类活动对生态系统的影响

• 正面影响：保护生态系统，恢复受损的生态系统。
• 负面影响：破坏生态系统，导致生态系统退化。
• 可持续发展：在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力。

三、 专题三：生物技术与工程

3.1 基因工程

3.1.1 基因工程的概念和原理

• 概念：又称基因拼接技术或DNA重组技术，是指按照人们的意愿，有目的地将某些生物的基因取出经过体外重组后导入到另一种生物细胞内，定向地改变后者的遗传特性。
• 原理：基因重组。

3.1.2 基因工程的基本操作步骤

• 获取目的基因：
  • 直接分离法：从细胞或生物体中直接提取含有目的基因的DNA片段。
  • 化学合成法：根据已知基因序列，用化学方法人工合成目的基因。
  • PCR扩增法：利用PCR技术扩增目的基因。
• 构建基因表达载体：
  • 目的：使目的基因能够在受体细胞中稳定存在，并且可以表达和发挥作用。
  • 组成：目的基因、启动子、终止子、标记基因、复制原点。
• 将目的基因导入受体细胞：
  • 微生物：转化法（感受态细胞法、钙离子处理法、显微注射法等）。
  • 植物：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法等。
  • 动物：显微注射法。
• 目的基因的检测和表达：
  • 分子水平检测：
    • DNA分子杂交技术：用标记的DNA探针检测受体细胞DNA中是否含有目的基因。
    • 分子杂交技术：从转基因生物提取mRNA，与标记的DNA探针杂交，检测是否转录出mRNA。
    • 抗原-抗体杂交技术：检测是否翻译出目的基因的蛋白质。
  • 个体水平检测：观察转基因生物是否表现出目的基因控制的性状。

3.1.3 基因工程的应用

• 生产药物：胰岛素、干扰素、生长激素等。
• 改良作物：抗虫棉、转基因玉米等。
• 基因治疗：治疗遗传疾病。

3.2 细胞工程

3.2.1 植物细胞工程

• 植物组织培养：在无菌条件下，将植物的离体细胞、组织或器官，在人工配制的培养基上进行培养，使其生长发育成为完整的植株。
  • 原理：植物细胞的全能性。
  • 应用：快速繁殖、培育无病毒植株、生产药物等。
• 植物体细胞杂交：将不同植物的体细胞融合形成杂种细胞，再将杂种细胞培养成杂种植株。
  • 原理：细胞膜的流动性、植物细胞的全能性。
  • 应用：克服远缘杂交不亲和性，培育新品种。

3.2.2 动物细胞工程

• 动物细胞培养：在无菌、适宜温度、营养和pH的条件下，将动物细胞置于体外培养，使其生长、繁殖和维持其生命活动。
  • 应用：生产疫苗、抗体、干扰素等。
• 单克隆抗体：由单一B细胞克隆产生的高度均一、仅针对某一特定抗原的抗体。
  • 制备：
    • 获取B淋巴细胞：从小鼠体内获取B淋巴细胞。
    • 诱导细胞融合：用灭活的病毒或聚乙二醇诱导B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合。
    • 筛选杂交瘤细胞：用选择性培养基筛选出既能产生抗体又能无限增殖的杂交瘤细胞。
    • 克隆化培养和抗体检测：培养杂交瘤细胞，检测抗体。
    • 提取单克隆抗体：从细胞培养液或小鼠腹水中提取单克隆抗体。
  • 应用：疾病诊断、治疗、药物载体等。

3.3 胚胎工程

3.3.1 胚胎工程的概念和技术

• 概念：对动物早期胚胎进行体外操作和处理，以改变其遗传特性或使其按照人们的意愿发育的技术。
• 主要技术：
  • 体外受精：使精子和卵子在体外结合，形成受精卵。
  • 早期胚胎培养：将受精卵在体外培养，使其发育到桑椹胚或囊胚阶段。
  • 胚胎移植：将早期胚胎移植到受体母畜的子宫内，使其继续发育。
  • 胚胎分割：将早期胚胎分割成若干份，再将分割后的胚胎移植到受体母畜的子宫内，使其继续发育。
  • 胚胎干细胞：从早期胚胎或原始性腺中分离出来的一类具有自我复制和多向分化潜能的细胞。

3.3.2 胚胎工程的应用

• 加速良种繁育：快速繁殖优良品种。
• 保护濒危物种：保存濒危物种的遗传资源。
• 研究动物发育规律：研究动物的生长发育过程。
• 生产生物制品：生产具有特定功能的生物制品。

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