skkn kinh nghiệm dạy học sinh giải bài tập di truyền học quần thể, khi quần thể chịu sự tác động của một số nhân tố tiến hóa thpt trần phú

Tuy nhiên công thức phần di truyền học quần thể đã có trong sách giáo khoa chỉ áp dụng được trong trường hợp quần thể không chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên, không có đột biến, di - nhậ

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thập kỷ qua, di truyền học đã phát triển cực nhanh và đạt được nhiều thành tựu mới về lý thuyết cũng như thực tiễn Một trong những nội dung nhận được sự quan tâm của nhiều nhà sinh học đó là di truyền học quần thể

Trong chương trình Sinh học phổ thông, học sinh được tiếp cận với kiến thức về di truyền học quần thể và cũng đã hiểu được phần nào vai trò, ý nghĩa lý thuyết cũng như thực tiễn của di truyền học quần thể, đặc biệt là ở quần thể giao phối

Nội dung này trong chương trình sách giáo khoa phổ thông được phân phối với thời lượng tương đối ít, chỉ 2 tiết lý thuyết và không có tiết bài tập rèn luyện Thế nhưng mục tiêu để học sinh nắm được lại là sự hiểu biết không những về kiến thức lý thuyết mà còn là cả những ứng dụng thực tiễn của di truyền học quần thể trong tự nhiên Vì trong những năm gần đây các đề thi Đại học, đề thi học sinh giỏi nội dung ở phần di truyền học quần thể thường yêu cầu học sinh vận dụng chủ yếu

là những ứng dụng thực tiễn của di truyền học quần thể Tuy nhiên công thức phần di truyền học quần thể đã có trong sách giáo khoa chỉ áp dụng được trong trường hợp quần thể không chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên, không có đột biến, di - nhập gen … nghĩa là quần thể luôn duy trì trạng thái cân bằng di truyền qua các thế hệ ngẫu phối Nhưng trong thực tế hiếm gặp được một quần thể nào duy trì được vốn gen không đổi qua các thế hệ ngẫu phối bởi quần thể luôn chịu tác động của môi trường, trong

đó có các nhân tố tiến hóa Chính vì vậy, trong quá trình dạy học chúng tôi phải đặt ra giả thiết vốn gen của quần thể có thể bị thay đổi, đồng thời

vận dụng một số công thức sách giáo khoa, sách bài tập chưa có để sử dụng cho việc giải các bài toán di truyền quần thể trong trường hợp quần thể thay đổi vốn gen của nó Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn

trao đổi về : “Kinh nghiệm dạy học sinh giải bài tập di truyền học

quần thể khi quần thể chịu sự tác động của một số nhân tố tiến hoá”

B NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÝ LUẬN

Trong chương trình sinh học phổ thông, học sinh được tiếp cận với kiến thức di truyền học quần thể, hiểu và vận dụng kiến thức này để giải các bài tập liên quan dựa trên các công thức mà sách giáo khoa, sách bài tập sinh học 12 đã đưa ra Tuy nhiên, những công thức phần di truyền học quần thể đã có chỉ áp dụng được cho trường hợp quần thể không chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên, không có đột biến, di nhập gen…, nghĩa là quần thể luôn duy trì trạng thái cân bằng di truyền qua các thế

hệ ngẫu phối Tuy nhiên trong các đề thi học sinh giỏi và đại học cao đẳng thì ngoài các bài toán về quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền theo định luật Hacdi - Vanbec thì có rất nhiều bài tập liên quan quần thể chịu tác động của nhân tố tiến hóa, nếu giáo viên dạy theo sách giáo khoa và hướng dẫn của sách giáo viên (giáo viên không mở rộng) thì học sinh rất khó có thể làm được một bài tập về phần này

Với những thực tế đó đỏi hỏi giáo viên có những phương pháp

nghiên cứu nhất định đề giúp học sinh hiểu rõ và vận dụng làm được bài

tập đạt kết quả cao hơn

Đề tài này nhằm cung cấp cho học sinh:

- Một số công thức và bài tập về tính tần số các loại alen và tỉ lệ kiểu gen trong trường hợp quần thể chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên

- Một số công thức và bài tập về tính tần số alen và tỉ lệ kiểu gen trong trường hợp quần thể chịu tác động của đột biến

- Một số công thức và bài tập về tính tần số alen và tỉ lệ kiểu gen trong trường hợp quần thể chịu tác động của di - nhập gen

II THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ

Với thời lượng 2 tiết cho phần di truyền học quần thể, ngoài việc trang bị cho học sinh đầy đủ nội dung lí thuyết giáo viên chỉ có thể giúp học sinh xây dựng được một số công thức áp dụng cho trường hợp không có sự tác động của các nhân tố tiến hóa Do vậy học sinh chỉ hiểu

và làm được bài tập dạng này còn khi gặp dạng toán áp dụng cho trường hợp quần thể chịu tác động của nhân tố tiến hóa thì đa số học sinh còn lúng túng, không tìm ra phương pháp giải tối ưu :

- Nếu để học sinh tự giải thì lớp có 45 em chỉ có 1 - 2 em học sinh làm được hoặc thậm chí không có học sinh nào làm được

- Nếu để giáo viên hướng dẫn hay làm mẫu thì mỗi lớp chỉ có 3 - 4

em học sinh hiểu còn các em khác coi như xong bài dẫn đến khi gặp một bài dạng tương tự nhưng có thay đổi đôi chút về đề bài thì chỉ có 1 - 2

em hoặc không có em nào làm được nên hiệu quả không cao

Từ thực trạng trên nếu trang bị thêm cho học sinh vấn đề này ( khoảng 3 - 4 tiết trong các tiết học tự chọn) thì tôi nghĩ rằng học sinh

sẽ nắm bắt kiến thức tốt hơn và vận dụng để giải các bài tập đặt kết quả tối ưu

III GIẢI PHÁP VÀ TỔ CHỨC THỰC HIỆN

1 Giải pháp :

- Giáo viên hướng dẫn học sinh xây dựng công thức cho trường hợp tác động của mỗi nhân tố tiến hóa : Chọn lọc tự nhiên, di - nhập gen, đột biến

- Học sinh trình bày phương pháp của mình và thảo luận với nhau trước lớp dưới sự hướng dẫn và tổ chức của giáo viên

- Giáo viên khẳng định về tính chính xác về mặt khoa học của kiến thức mà học sinh tự tìm ra

- Làm bài tập áp dụng

2 Tổ chức thực hiện

Trước hết tôi yêu cầu học sinh nắm vững kiến thức lý thuyết và bài tập về quần thể ngẫu phối trong trường trường hợp không chịu tác động của nhân tố tiến hóa tức là quần thể đạt trạng thái cân bằng di truyền theo định luật Hacdi - Vanbec

Tiếp đó tôi trang bị cho học sinh kiến thức quần thể ngẫu phối trong trường hợp chịu tác động của một số nhân tố tiến hóa (nhân tố chọn lọc tự nhiên, nhân tố di - nhập gen, nhân tố đột biến) và bài tập áp dụng

2.1 Vận dụng một số công thức tính tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể khi quần thể chịu áp lực của chọn lọc tự nhiên

2.1.1 Cơ sở lí thuyết và công thức tổng quát

Như chúng ta đã biết, một quần thể ngẫu phối nếu trong điều kiện môi trường sống ổn định và không bị tác động của các nhân tố tiến hóa thì quần thể luôn duy trì cấu trúc cân bằng, thành phần kiểu gen của quần thể có 2 alen A và a tuân theo đẳng thức p2AA + 2pqAa + q2aa = 1 Dưới

áp lực của chọn lọc tự nhiên, đôi khi sức sống, khả năng sinh sản của các

cá thể mang các kiểu gen khác nhau trong quần thể cũng khác nhau và

do đó ảnh hưởng lớn đến cấu trúc di truyền của quần thể

Giả sử một quần thể ban đầu có tần số alen A là p, tần số alen a là

q, quần thể ngẫu phối thì F1 sẽ có thành phần kiểu gen là: p2AA + 2pqAa + q2aa = 1 Nếu bị tác động của CLTN, quần thể có thể xảy ra các khả năng sau đây:

- Nếu chọn lọc đào thải alen lặn (nghĩa là đào thải kiểu gen aa) thì: + Tần số alen a ở thế hệ F1 là: a = 2pq pqp2 = 2q qp = 1q q + Tần số alen A ở thế hệ F1 là: A = p p222pq pq = p p2q q = 1pq q

Thành phần kiểu gen ở F2 là:

((1pq q))22 AA + 2.q(1(pq)q2) Aa + (1q2q)2aa = 1

Ở F2, tần số các loại alen là:

+ Tần số alen a là: a = (pq)2/(1q(p q)2q)/(21q(p q)2q)/(1q)2 = 1 q2q + Tần số alen A là: A = 1- 1 q2q = 112q q = 1p22q q

Tương tự như vậy, ở thế hệ Fn, tần số các loại alen sẽ là:

+ Tần số alen a là: a = 1q nq

+ Tần số alen A là: A = 1pnq nq

- Nếu chọn lọc tự nhiên đào thải alen trội thì tất cả các cá thể có kiểu gen AA và Aa đều không tham gia vào quá trình sinh sản ở thế hệ tiếp theo, do vậy ở các thế hệ sau, tỉ lệ kiểu gen của quần thể luôn là 100%aa

- Nếu chọn lọc tự nhiên đào thải kiểu gen đồng hợp tử trội AA thì: Tần số các loại alen ở thế hệ F1 là:

+ Tần số alen A = 2pq2pqq2 = 2p pq = 1p p

+ Tần số alen a = 2q pq2pq q2 = q q((2p pq q)) = 1pp q Thành phần kiểu gen ở thế hệ F2 là:

(1p2p)2 AA + 2 p(1(pp)q2)Aa + ((1pp q))22 aa = 1

Tần số các loại alen ở F2 là:

+ Tần số alen A = p(1(pp)q2) / 2p(p(1q)p)(2pq)2 = (pp(q p)(3p q)q) =

p

p

2

1 

+ Tần số alen a = (pq()12p p)2(pq) / 2p(p(1q)p)(2pq)2= ((p pq q)()(32p pq q)) = q122p p

Vậy ở thế hệ thứ n, tần số các loại alen ở Fn là:

+ Tần số alen A = 1p np

+ Tần số alen a = q1np np

2.1.2 Các dạng bài tập vận dụng

Chúng ta có thể ứng dụng công thức tổng quát trên để giải một số bài tập sau:

- Dạng 1: Chọn lọc tự nhiên đào thải alen lặn:

* Bài toán 1: Một quần thể ngẫu phối có cấu trúc di truyền ở F1 là:

0,16AA + 0,48Aa + 0,36aa = 1, giả sử do khí hậu thay đổi đột ngột nên các cá thể aa đều bị chết ở giai đoạn còn non Nếu không phát sinh đột biến mới, không có di nhập gen thì ở thế hệ F5 tần số các loại alen sẽ thay đổi ntn?

Giải:

Ở thế hệ ban đầu, tần số các loại alen của quần thể là: q(a)= 0,6, p(A)= 0,4

Áp dụng công thức đã cho, tần số các loại alen của quần thể ở thế

hệ thứ 5 là:

Tần số alen a là: q(a) = 1q nq = 105,.60,6 = 0,15

Tần số alen A là: p(A) = 1pnq nq = 01,455.0.,06,6 = 0,85

* Bài toán 2: Cho 1 quần thể ngẫu phối có cấu trúc di truyền ở thế hệ

xuất phát là: 0,25AA + 0,5Aa + 0,25aa = 1 Do điều kiện môi trường thay đổi nên các cá thể có kiểu gen aa không sinh sản được nhưng vẫn có khả năng sống bình thường Xác định cấu trúc di truyền của quần thể ở F3?

Giải:

Tần số các loại alen ở thế hệ xuất phát là: p(A) = 0,5, q(a) = 0,5

Ở F3, tần số các loại alen là:

+ Tần số alen a là: q(a)= 103,.50,5 = 0,2

+ Tần số alen A là: p(A)= 01,533.0.0,5,5 = 0,8

Vậy cấu trúc di truyền của quần thể ở F3 là: 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa = 1

- Dạng 2: chọn lọc tự nhiên đào thải kiểu gen trội:

* Bài toán 1: Một gen có 2 alen, ở thế hệ xuất phát của một quần

thể có gen trên, tần số alen A = 0,2; a = 0,8 Sau 5 thế hệ chọn lọc loại bỏ hoàn toàn kiểu gen trội đồng hợp thì tần số các loại alen của quần thể ở F5 là bao nhiêu?

Giải:

Áp dụng công thức trên, tần số các loại alen ở thế hệ F5 là:

Tần số alen A là: p(A) = 105,.20,2 = 0,1

Tần số alen a là: q(a) = 01,855.0.0,2,2 = 0,9

*Bài toán 2: Ở gà kiểu gen AA quy định mỏ rất ngắn đến mức

không mổ vỡ được vỏ để chui ra, làm gà con chết ngạt; kiểu gen Aa quy định mỏ ngắn; kiểu gen aa quy định mỏ dài; gen nằm trên NST thường Khi cho gà mỏ ngắn giao phối với nhau Hãy xác định tần số alen A và a

ở thế hệ F3 Biết không có đột biến, các thế hệ đều ngẫu phối

Giải:

Khi cho gà mỏ ngắn giao phối với nhau, nghĩa là Aa lai với Aa thì thành phần kiểu gen của quần thể ở thế hệ xuất phát là: 0,25AA + 0,5Aa + 0,25aa = 1, vậy tần số các loại alen của quần thể ở thế hệ xuất phát là: p(A) = 0,5, q(a) = 0,5

Ở thế hệ F3, tần số các loại alen là:

+ Tần số alen A = 103,.50,5 = 0,2

+ Tần số alen a = 01,533.0.0,5,5 = 0,8

2.2 Vận dụng một số công thức tính tần số tương đối các alen và thành phần kiểu gen khi quần thể chịu tác động của nhân tố di - nhập gen

2.2.1 Cơ sở lí thuyết và công thức tổng quát

Khi quần thể có sự di nhập gen thì vốn gen của quần thể nhanh chóng thay đổi, đặc biệt đối với quần thể có kích thước nhỏ

- Trường hợp môi trường ban đầu có hai quần thể: quần thể cho có tần số các loại alen là p2(A), q2(a); quần thể nhận trước nhập cư có m cá thể với tần số các loại alen là p1(A), q1(a); có n cá thể từ quần thể cho đến nhập cư vào quần thể nhận Sau nhập cư, tần số các loại alen của quần thể nhận sẽ thay đổi và được tính theo công thức: Tần số các loại alen của quần thể nhận sau nhập cư là:

+ Tần số alen A: p’(A) = mp m np n



 2

1

+ Tần số alen a: q’(a) = mq m n nq



 2

1

(Trong đó, p2(A), q2(a) là tần số tương đối của các loại alen của quần thể cho và cũng là tần số tương đối các loại alen của nhóm nhập cư)

Như vậy, sau nhập cư tần số tương đối của các loại alen của quần thể có sự thay đổi và lượng biến thiên về tần số các loại alen của quần thể nhận sau nhập cư được tính theo công thức:

p = M.(p2 - p1) và q = M.(q2 – q1)

Trong đó: p: lượng biến thiên tần số tương đối alen A trong quần thể nhận

q: lượng biến thiên tần số tương đối alen a trong quần thể nhận

M: Tỉ lệ số cá thể nhập cư (M = số cá thể nhập cư / tổng

số cá thể của quần thể nhận sau nhập cư)

- Trường hợp quần thể cho đã biết tần số alen và kích thước, còn quần thể nhận chỉ cho biết tần số alen tại thời điểm trước nhập cư, chúng

ta sẽ tính được tần số alen của quần thể nhận sau nhập cư bằng công thức:

q’(a) = q1 – N.(q1 - q2)

Trong đó: q’(a): tần số alen a của quần thể nhận sau nhập cư

q1 : tần số alen a của quần thể nhận trước nhập cư

q2: tần số alen a của bộ phận nhập cư (tần số alen của quần thể cho)

N: tỉ lệ số cá thể nhập cư, (N = số cá thể nhập cư / tổng

số cá thể của quần thể cho)

2.2.2 Các dạng bài tập vận dụng

- Dạng 1: Bài toán cho biết kích thước của quần thể cho, kích thước nhóm nhập cư, tần số các loại alen của quần thể cho và quần thể nhận.

* Bài toán 1: Có 2 quần thể của cùng loài: quần thể 1 có 750 cá thể

trong đó tần số alen A là 0,6; quần thể 2 có 250 cá thể trong đó tần số alen A là 0,4 Nếu toàn bộ các cá thể của quần thể 2 nhập cư vào quần thể 1 thì ở quần thể mới tần số các loại alen là bao nhiêu?

Giải:

Cách giải 1 (cách giải thông thường):

Quần thể 1 có tổng số alen là: 750.2 = 1500 alen

Trong đó số alen A là: 1500.0,6 = 900

số alen a là: 1500 – 900 = 600

Quần thể 2 có 250 cá thể nhập cư cả vào quần thể 1 với tổng số alen là:

250.2 = 500 alen Trong đó số alen A là: 500.0,4 = 200

số alen a là: 500 – 200 = 300

Vậy quần thể 1 sau nhập cư có tần số các loại alen là:

Tần số alen A là: p’(A) = 1500900200500 = 0,55

Tần số alen a là: q’(a) = 1500600300500 = 0,45

Cách giải 2: Áp dụng công thức tổng quát trên, tần số các loại

alen của quần thể 1 sau nhập cư là:

Tần số alen A là: p’(A) = mp m np n



 2

1 = 0,6.7507502500,4.250 = 0,55 Tần số alen a là: q’(a) = mp m np n



 2

1 = 0,4.7507502500,6.250 = 0,45 Cách giải 3: Tỉ lệ cá thể nhập cư là: M = 750250250 = 0,25

Lượng biến thiên tần số tương đối của alen A trong quần thể 1 sau nhập cư là:

p = M (p2 - p1) = 0,25.(0,4 - 0,6) = -0,05

Vậy tần số tương đối của các alen trong quần thể 1 sau nhập cư là: Tần số alen A là: p'(A) = p1(A) + p = 0,6 + (-0,05) = 0,55

Tần số alen a là: q’(a) = 1 – p’(A) = 1 – 0,55 = 0,45

* Bài toán 2: Một con sông có 2 quần thể ốc sên: quần thể lớn

(quần thể chính) ở phía trên và quần thể nhỏ nằm ở cuối dòng trên 1 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 1 gen có 2 alen A và a Quần thể chính có: p(A) = 1, quần thể đảo có p(A)

= 0,6 Do di cư, quần thể đảo trở thành quần thể mới có 12% số cá thể là của quần thể chính Tính tần số tương đối của các alen trong quần thể mới sau nhập cư?

Giải:

Cách giải 1:

Ta có: 12% số cá thể của quần thể chính trong quần thể mới chính

là tỉ lệ số cá thể nhập cư

Áp dụng công thức: p = M.(pcho - pnhận) = 0,12.(1 – 0,6) = 0,048 [pcho, pnhận lần lượt là tần số alen A của quần thể cho (quần thể chính) và quần thể nhận (quần thể đảo)]

Vậy tần số các loại alen ở quần thể đảo sau nhập cư là:

Tần số alen A là: p’(A) = p(A) + p = 0,6 + 0,048 = 0,648

Tần số alen a là: q’(a) = 1 – p’(A) = 1 – 0,648 = 0,352

Cách giải 2:

Quần thể mới có 12% số cá thể là của quần thể chính, vậy tỉ lệ số

cá thể của quần thể đảo trong quần thể mới sau nhập cư là 88% Khi đó:

m mn = 0,88 và m nn = 0,12

Tần số các loại alen trong quần thể đảo sau nhập cư là: