IB 生物/選修 D - 進化

選修 D.1 地球上的生命起源

D.1.1 概述地球生命起源前期的條件，包括高溫、閃電、紫外線穿透和還原性大氣。

• 在地球生命起源的早期（太陽系大約在 45.7 億年前形成），大氣中幾乎沒有氧氣（任何氧氣都被岩石吸收），因此沒有氧氣來奪取能量。

形成分子的能量來自閃電、火山活動、隕石撞擊、溫室氣體導致的高溫和紫外線輻射。

• 起初，地球很冷，後來由於壓實、放射性衰變和隕石撞擊產生的熱量而熔化。熔化的物質按密度分層，密度最小的物質凝固成薄薄的地殼。現在的各大洲都附著在地殼板塊上，這些板塊漂浮在地幔上。當地球冷卻到足以使大氣中的水凝結時，開始下雨，形成了第一批海洋。
• 生命起源前的時代可以追溯到 44 億年前。已知最早的生命可以追溯到 38 億年前。

D.1.2 概述米勒和尤里的關於有機物起源的實驗。

• 他們透過構建一個裝置來模擬早期地球的條件，該裝置包含一個模擬原始海洋的加熱的水瓶和一個水、氫氣、CH₄（甲烷）和 NH₃（氨）的大氣。
• 在合成大氣中放電以模擬閃電。水被煮沸，同時冷凝器冷卻大氣，使水和任何溶解的化合物降回到微型海洋中。模擬環境產生了多種氨基酸和其他有機分子，這使他們得出結論：生命起源前有機分子的合成是可能的。
• 然而，甲烷和其他化學物質的濃度問題尚無定論，因此結果的適用性尚不確定。

D.1.3 討論粘土礦物和 RNA 作為聚合反應中第一個催化劑的假設。

• 聚合物是由類似的結構單元或單體組成的鏈，透過縮合反應合成（從聚合物中去除 H 和 OH，生成 H₂0）。早期的聚合反應一定是在沒有酶幫助的情況下發生的。

粘土透過以下方式提高聚合速度

• 單體與靠近粘土層的帶電位點結合，濃縮氨基酸和其他單體
• 粘土結合位點的金屬離子催化脫水反應
• 粘土為分子的形成提供更穩定的條件。

RNA 在聚合中的功能

• 有一種叫做核酶的 RNA 可以催化自身的複製。這對於 RNA 和 DNA 的起源以及生命的起源可能至關重要。

D.1.4 討論 RNA 作為第一個能夠複製的分子可能的起源。

• 原始生物體或非生物產生分子的聚集體從環境中積累有機物質，如多肽。然而，它們可能沒有複製其特定特徵的機制，因此生命無法開始。然而，像 RNA 這樣的資訊儲存機制將使它們能夠傳遞其特徵。RNA 可能先於 DNA，因為 DNA 是一個太複雜的分子，不可能在早期的原始生物體中形成。短鏈的 RNA，或許最重要的是被稱為核酶的 RNA，可以複製自身，也可以催化其他反應。然後，當它們與粘土結合時，它們可以根據一定的模式排列核苷酸。因此，RNA 可以複製並傳遞。這一事實得到了 RNA 在當今細胞生命中在遺傳控制方面發揮重要作用的這一事實的支援。

D.1.5 討論膜和原核細胞的可能起源。

• 活細胞可能先於原始生物體，原始生物體是非生物產生分子的聚集體（群體）。要形成生命，它們需要將自己與周圍的水隔開。
• 在存在脂類的情況下，一些原始生物體在搖動時會在原始生物體液滴周圍形成分子雙層（脂質體）。這類似於現代細胞的脂質雙層。脂質體可以破裂、重新形成並與其他脂質體融合，並將它們的內容物混合在一起。在這些液滴內，反應可以被催化，RNA 可以複製自身。
• 最成功的脂質體會將它們的特徵傳遞下去並演變成早期的原核生物。

D.1.6 討論關於真核細胞起源的內共生理論。

• 真核細胞可能是原核細胞的共生群體，較小的物種生活在較大的原核細胞內部。內共生理論側重於葉綠體和線粒體的起源。
• 這些生物體（如藻類或呼吸細菌之類的光合原核生物）的祖先最初作為未消化的獵物或內部寄生蟲進入宿主細胞。通常，入侵者會被消化，但在這種情況下，它們沒有被消化。
• 宿主細胞會允許它們生存並利用它們。這些生物體提供食物和能量。那些吸收了變成葉綠體和線粒體的原核生物的生物體形成了植物，那些沒有葉綠體的生物體變成了動物細胞。
• 支援這一理論的證據是
  • 線粒體和葉綠體具有類似細菌的 RNA 和核糖體（70S，而不是真核細胞細胞質中的 80S），使它們能夠獨立於宿主細胞製造自己的蛋白質和分裂。
  • 線粒體和葉綠體都有雙層膜，內層可能是原始細胞的膜，外層是在細胞被吸收時形成的膜。
  • 類囊體類似於藍細菌中發現的結構。
  • 葉綠體和線粒體與原核生物一樣，具有裸露的 DNA。
  • 葉綠素 a 存在於原核生物和真核生物中。
  • 線粒體中的嵴類似於細菌中的間體。

選修 D.2 物種起源

D.2.1 概述拉馬克關於透過獲得性遺傳進化的理論。

• 拉馬克關於獲得性遺傳的理論指出，生物體在其一生中獲得的修飾可以遺傳給後代。常見的觀點是，如果長頸鹿伸長脖子去吃高處的樹葉，它可以將長脖子遺傳給後代。

D.2.2 討論獲得性遺傳的機制及其缺乏證據。

• 沒有證據表明獲得性遺傳是可能的。可以遺傳的特徵存在於你的基因中。如果你沒有出生時就擁有編碼某些特徵的基因，你就不能將你在一生中獲得的特徵遺傳下去，因為這些特徵不會到達生殖細胞。例如：如果你剪掉老鼠的尾巴，它們的後代仍然有尾巴。

D.2.3 解釋達爾文-華萊士關於自然選擇的進化理論。

• 種群往往會產生比環境所能承載的更多的後代，但種群往往保持穩定
• 在一個物種的生物體之間存在著生存鬥爭，它們具有不同的特徵
• 那些最適應其環境的個體最有可能生存下來
• 只有這些個體將它們的正面特徵以基因的形式遺傳給它們的後代，這些後代也會生存下來

• 達爾文在乘坐貝格爾號航海時，對加拉帕戈斯群島上不同型別的雀鳥產生了興趣。所有鳥類物種都非常相似，就像南美洲大陸上的物種一樣，但它們在島嶼之間的大小和喙的形狀卻有所不同。達爾文發現，這些鳥類以不同的食物為食。它們的喙適應了吃不同型別的樹葉、蠕蟲和種子以及其他型別的食物。達爾文用“自然選擇”的概念解釋了他對物種起源的所有觀察和想法。這個理論指出，一個物種的巨大多樣性確保了種群中的一些成員比其他成員更適應其環境。這些個體更有可能存活到足夠長的時間進行繁殖並傳遞它們適應性強的基因。因此，由於最適合環境（島嶼上的食物）的個體繁殖後代最多，因此種群會隨著時間的推移而適應其環境。種群中具有共同基因庫的特徵（基因）頻率的變化就是進化。

D.2.4 討論其他物種起源理論，包括特殊創造和宇宙胚種論。

• 宇宙胚種論認為，生命起源於宇宙的其他地方，並透過彗星或流星在太空中傳播到地球。特殊創造論認為，創造者直接創造了生命。

D.2.5 討論所有這些理論的證據，以及科學方法在進一步調查中的適用性。

• 宇宙胚種論——從現代隕石中發現了有機化合物和氨基酸。該理論與進化並不衝突，進化一旦生命到達地球就會發生。該理論可以透過在未來尋找地球以外類似於我們自己的生命來檢驗，但太空旅行尚未足夠發展。

• 特殊創造論——該理論的大部分證據都來自宗教信仰。除了缺乏對其他理論的證據外，該理論沒有真正的科學證據。該理論無法被觀察結果證偽（反駁），不像進化和宇宙胚種論。然而，有些人認為，越來越多的證據表明，生命是由神聖的存在創造的。

• 拉馬克理論也缺乏任何支援它的證據。

• 進化符合普遍接受的事實，並得到了 D.3 中討論的大量證據的支援。它基於被理解的自然過程和規律，這些規律沒有被任何當前的觀察結果反駁，因此是首選理論。

選項 D.3 進化證據

D.3.1 描述由生物的地理分佈（包括胎盤動物、有袋動物和單孔類動物的分佈）所顯示的進化證據。

• 兩個北大陸之間只隔著一片狹窄的海域——白令海峽，在過去的一些時候可以穿越。它們的哺乳動物生命非常相似。三個南大陸相互隔離程度更高，哺乳動物生命的多樣性也更大。
• 透過觀察大陸漂移的方式，並檢查其中的化石，我們可以繪製出不同型別哺乳動物的演化過程。單孔類和有袋動物在 1.65 億年前岡瓦納古陸分離之前就已出現，當時三個南大陸尚未分離。胎盤動物（幼崽發育成熟後出生）後來在 1.35 億年前出現，取代了其他大陸上的幾乎所有單孔類（產卵哺乳動物）和有袋動物（出生時幼崽發育不完全，需要進入育兒袋）。
• 澳大利亞與其他大陸分離，因此那裡的動物不能再與其他大陸的動物交配，澳大利亞的動物也不能前往其他地方。這就是為什麼有袋動物和單孔類動物現在只存在於澳大利亞的原因。有袋動物和單孔類動物進化以適應澳大利亞環境中的生態位，那裡沒有胎盤動物。這僅僅是因為地理原因，而不是因為澳大利亞不適合胎盤動物。這些觀察結果和其他類似的例子是進化理論預期的。

D.3.2 簡要概述過去生物遺體的儲存方式。

• 對過去進化的研究——系統發育
• 從陸地侵蝕的沙子首先被河流、海洋、沼澤帶走，這些顆粒沉積在底部。這些沉積物堆積起來，壓縮了更古老的沉積物，形成岩石。死亡的生物被衝進海洋和沼澤，然後與沉積物一起沉到底部。當沉積物在壓力下變成岩石時，動物的硬組織可能會作為化石保留下來。礦物質也會滲入生物的軟組織，在岩石中留下其形狀的石化模型。
• 化石也可以儲存在以下地方：
  • 樹脂，變成琥珀
  • 凍結在冰或雪中
  • 在無法腐爛的酸性泥炭中

D.3.3 簡要概述使用放射性同位素（參照 14C 和 40K）對岩石和化石進行年代測定的方法。

• 化石包含在活生物體中積累的元素的同位素。如果同位素不穩定，它們會隨著時間的推移失去質子並衰變。由於每種放射性同位素都有固定的半衰期，因此可以根據衰變反應物和產物的相對濃度來對化石進行年代測定。半衰期是指一定物質樣品衰變一半所需的時間。碳-14 的半衰期為 5000 年，因此適用於對不超過 10 萬年前的化石進行年代測定。鉀-40 的半衰期為 13 億年，因此適用於長期年代測定。誤差小於 10%。

D.3.4 定義半衰期。

• 半衰期——樣品衰變一半所需的時間（年）。

D.3.5 根據放射性同位素的簡單衰變曲線推斷材料的大致年齡。

• 在圖上觀察原始同位素濃度減半的次數，然後將其乘以半衰期。

D.3.6 用一個例子概述古生物學對進化的證據。

• 在進化過程中，存在著許多與現存物種相似但不同的化石。
• 棘螈化石顯示了 3.65 億年前的一種兩棲動物，它有八個手指和七個腳趾，因此與現存生物不同。它有四肢和脊椎，與哺乳動物、爬行動物和兩棲動物相似，但也有魚一樣的尾巴和鰓。它生活在水中。它是一個“缺失環節”化石，證明了現存兩棲動物和魚類之間的進化過渡階段。
• 在馬中，它們的腳趾數量從四個減少到一個。從四趾馬祖先到現代一趾馬的化石序列顯示了腳趾數量減少的趨勢。
• 在化石記錄中，隨著時間的推移，我們可以清楚地看到物種的演化過程，從細菌到簡單的水生生物，到兩棲動物，到昆蟲，到爬行動物，最後到哺乳動物。

D.3.7 解釋 DNA 和蛋白質結構的普遍性所提供的生物化學證據，證明生物的共同祖先。

• 所有生物都有 DNA，使用相同的 20 種氨基酸，並且使用左旋，而不是右旋的氨基酸。這表明所有生命形式都有一個共同的祖先，它們也這樣做。
• 為了進一步確定生物之間的關係，比較 DNA 和蛋白質結構可能會有所幫助。DNA 匹配兩個來自不同物種的單鏈 DNA，並觀察一個物種的 DNA 與另一個物種的 DNA 結合得有多緊密。結合越緊密，相似性就越大，物種之間的親緣關係就越近。
• 大多數生物中最基本的酶具有相似的氨基酸結構。

D.3.8 解釋特定分子中的變異如何指示系統發育。

• 蛋白質是由基因決定的。因此，來自不同物種的兩種蛋白質的氨基酸序列高度匹配表明，這些蛋白質中的基因是從共享祖先中存在的共同基因進化而來的。

D.3.9 討論生物化學變異如何用作進化鍾。

• 突變是基因結構的隨機變化，但它們發生的速率大致可預測。一般來說，共同蛋白質的氨基酸序列之間的差異越大，兩個物種在過去擁有共同祖先的時間就越遠。例如，大猩猩的血紅蛋白與人類血紅蛋白只差一個氨基酸，而大象血紅蛋白與人類血紅蛋白相差 26 個氨基酸。因此，大象作為一個物種與人類的共同祖先分離的時間比大猩猩更早。這樣的資訊可以幫助將生物體分類到譜系樹中，並表明它們擁有共同基因庫的時間有多久。
• 首先，檢查一種特定的蛋白質，並知道突變以一定的速率發生。計算這種特定蛋白質中存在多少突變，然後計算出生物體已經進化了多少年。例如，如果有 10 個突變，而這種蛋白質每 5000 年發生一次突變，則 10 乘以 5000 等於 50,000 年。

D.3.10 解釋同源解剖結構（包括脊椎動物胚胎和五指型四肢）提供的進化證據。

• 進化的轉變在化石記錄中留下了後裔修飾的跡象。
• 同源解剖結構是檢驗共同祖先的證據。後裔修飾在同一分類類別中物種之間的解剖學相似性中很明顯。例如，哺乳動物的前肢已經進化以適應它們的功能。然而，這些結構之間的相似性表明它們都起源於一個共同的祖先。
• 五指型四肢描述了構成人類、貓、鯨魚、蝙蝠和其他所有哺乳動物前肢的相同骨骼元素。它們進化出不同的功能，但肢體中骨骼之間的關係非常相似。
• 即使是遠緣生物體在胚胎髮育中也會經歷相似的階段。它們中的許多在胚胎階段無法區分，儘管成年後看起來完全不同。所有脊椎動物胚胎都會經歷一個階段，在這個階段它們會在喉嚨兩側長出鰓囊。所有這些都可以用進化輕鬆解釋。

D.3.11 簡要概述兩個現代觀察到的進化例子。一個例子必須是加拉帕戈斯雀鳥喙的大小和形狀的變化。

• 1981 年，雀鳥 Geospiza fortis 擁有短而寬的喙，主要以大型堅硬的種子為食。1982-1983 年，厄爾尼諾現象帶來大量降雨，導致植被髮生變化，在接下來的 5 年裡，小型柔軟的水果數量大大增加。由於降雨和食物增多，種群數量激增，然後在降雨停止後回落。到 1987 年，它們的喙比以前更長更窄，因為這些喙幫助它們在降雨後的種群減少中生存下來。
• 在 1960 年的歐洲工業地區，更多的瓢蟲表現出黑色黑化基因型。黑色吸收更多光，因此黑色瓢蟲在陽光照射較少時更容易保持溫暖。1960 年以後，隨著煙霧水平下降，黑色瓢蟲的比例也相應下降，煙霧和黑色蝴蝶從 1980 年起都保持在較低的穩定水平。取而代之的是紅色，紅色可以警告捕食者，並且更有效地提高了生存率。

選項 D.4 人類進化

D.4.1 說明從界到亞種的完整人類分類。

• 界 - 動物界

• 門 - 脊索動物門

• 綱 - 哺乳綱

• 目 - 靈長目

• 科 - 人科

• 屬 - 智人屬

• 種 - 智人

• 亞種 - 智人智人

D.4.2 描述將人類定義為靈長類動物的主要身體特徵，例如樹棲適應性。

• 肩關節可實現三維運動
• 靈巧的雙手，具有對生拇指和長手指
• 敏感的指尖，帶有指甲
• 眼睛靠得更近，位於面部前方，增強深度感知，出色的眼手協調能力
• 肩關節和頭骨為直立姿勢而改變
• 父母照料，通常為單胎出生，並對後代進行長期撫育。

D.4.3 討論解剖學和生化證據，這些證據表明人類是一種雙足行走的非洲猿，並已擴散到殖民新地區。

• 人類像猿類一樣，會長時間照顧幼崽。後代的青春期也延遲。
• 人類與幼年猿類在身體特徵上比成年猿類更相似，因此我們可能是幼態延續的——進化保留了幼年猿類的特徵。
• 人類和猿類都擁有靈巧的雙手以及相似的髖骨和肌肉。
• 人類和黑猩猩的 DNA 有 98% 完全相同。
• 人們發現了從猿類進化到人類的中間物種的化石。

D.4.4 概述南方古猿化石（包括南方古猿阿法種、南方古猿非洲種和南方古猿粗壯種）以及智人化石（包括能人、直立人、尼安德特人、智人）所闡釋的趨勢。

南方古猿阿法種：300-390 萬年前——猿類臉部

南方古猿非洲種：230-300 萬年前——臉部更平坦，更大的臼齒適應植物性飲食

南方古猿粗壯種：140-220 萬年前——非常大的臼齒、骨骼和頭骨

能人：160-240 萬年前——更小的牙齒和下巴適應肉食性飲食，首次使用工具，體型與人類相似

直立人：40-180 萬年前——更復雜的工具，肉類成為食物的重要組成部分，牙齒髮生改變。

尼安德特人：50 萬年前——更大的大腦和骨骼，更大的牙齒和下巴，更短的四肢適應寒冷氣候

智人：10 萬年前——大腦很大，臉部扁平，牙齒縮小，體格健壯程度降低，有下巴

• 大腦增大，體型更高更直立。
• 脊柱與頭骨的連線變得更靠近重心平衡點。
• 骨盆發生變化，以支撐行走時的器官。
• 骨盆更短更寬，以連線行走肌肉。
• 腿部變得更強壯更長，而手臂變得更短更弱。
• 膝蓋現在可以完全伸直。
• 腳形成一個更寬的平臺，形狀更加堅固，沒有對生腳趾。

D.4.5 討論這些物種的可能生態以及可能促使它們起源的生態變化。

• 非洲的氣候變得更加乾燥，出現稀疏的林地而不是森林。森林的減少促使地面適應性物種的出現，這些物種能夠在陸地上長距離移動，並能夠攜帶分散的食物。因此，人類進化出了雙足行走的能力。
• 後來，非洲變得更加寒冷，主要是草原。這可能促使了智人屬的進化，他們使用工具和群體合作來捕獵大型動物作為食物。

D.4.6 討論化石記錄的不完整性以及由此導致的人類進化方面的不明確性。

• 人類祖先的化石記錄是不完整的，因此我們無法確定某些物種何時起源以及何時滅絕。
• 早期的化石記錄支離破碎且稀少，因為：它們沒有被埋葬，許多被捕食者殺死，骨頭散落在各個地方，只有少數死在可以儲存遺骸的地方。
• 由於存在“缺失環節”，因此無法保證假設的人類進化過程是準確的。

D.4.7 討論雙足行走和大腦尺寸增加的起源和後果。

• 雙足行走——必須適應陸地生活，能夠在更遠的距離內尋找食物。
• 能夠攜帶食物和水，並能看到灌木叢。
• 大腦尺寸的增加使我們能夠製造工具。這使我們能夠捕獵大型動物獲取肉類，改變了飲食和牙齒結構，臼齒變小。
• 語言成為可能。
• 我們學會了限制環境的影響（例如，衣物、火和住房）。
• 但這代價是更長的發育期和大腦更大的能量消耗。

D.4.8 概述遺傳進化和文化進化的區別。

• 文化進化是指物種行為的變化，例如，它們使用的工具、居住地、食物來源等。
• 遺傳進化是指物種遺傳構成上的變化。
• 文化進化在數百萬年的時間裡經歷了三個主要階段：遊牧時代（狩獵採集）、農業時代（定居）和工業時代。然而，我們並沒有在生物學上發生任何重大的改變。我們可能並沒有比穴居人更聰明。我們能力的提高是由於我們借鑑了過往的經驗。

D.4.9 討論遺傳進化和文化進化在人類進化中的相對重要性。

• 大腦的進化使文化進化得以蓬勃發展。從那時起，文化進化比遺傳進化更快地改變了人類。人類的行為和生活方式發生了巨大的變化，而遺傳進化卻幾乎沒有發生。我們現在能夠改變我們的環境，而不是改變自己以適應環境。然而，最近的研究（Voight 和 Kudaravalli 等人，2006 年）表明，人類實際上正在根據遺傳分析，在選擇性環境壓力下進化。

D.5 選項 - 新達爾文主義

D.5.1 說明突變是基因或染色體的隨機變化，但具有可預測的頻率。

• 突變是基因或染色體的隨機變化，但具有可預測的頻率。

D.5.2 以苯丙酮尿症 (PKU) 和囊性纖維化為例說明基因突變，並以克萊恩費爾特綜合徵為例說明染色體突變。

• PKU 是由基因突變引起的，該突變破壞了分解苯丙氨酸氨基酸的蛋白質。它是由許多可能的隱性等位基因引起的，所有等位基因的頻率都很低。這會導致血液中該氨基酸的水平達到毒性水平，從而導致智力障礙和死亡。
• 大多數囊性纖維化病例是由隱性等位基因上的特定突變引起的。突變改變了氨基酸，破壞了體內在上皮細胞中移動氯離子的蛋白質。大量的粘稠粘液會在氣道內積聚，導致感染。未經治療，大多數兒童將在 5 歲之前死亡。
• 克萊恩費爾特綜合徵是由染色體三體性（非分離）引起的額外 X 染色體造成的。因此，一個人的性別染色體模式為 XXY。這些人具有男性性器官，但睪酮水平低，男性特徵減少，睪丸異常小。在進化中並不重要，因為所有人都無法生育。

D.5.3 解釋群體內的變異是由減數分裂和受精過程中等位基因的重組造成的。

• 減數分裂包括不同等位基因的獨立分配，以及交叉互換。這兩個過程使個體產生的基因組合總數非常大，並且透過將基因以新的組合混合在一起，在有性生殖中產生了相當大的變異。
• 在受精過程中，兩個物種成員的基因混合在一起，進一步增加了變異性。

D.5.4 說明適應性（或微進化步驟）可能是由於一段時間內群體中某個基因等位基因的頻率增加而產生的。

D.5.5 描述一個物種進化成另一個物種的過程，涉及一段時間內群體基因庫中許多有利等位基因的積累。

• 進化是指隨著時間的推移，群體中可遺傳性狀的變化，由基因等位基因頻率的變化決定。
• 隨著時間的推移，這會導致物種形成。

D.5.6 說明物種是指具有共同基因庫的潛在交配群體。

• 物種是指具有共同基因庫的潛在交配群體。
• 基因庫是指一個交配群體中所有基因的總和。

D.5.7 討論“物種”一詞的定義。

• 大多數物種僅透過其物理特徵來識別，但有時這些特徵不足以識別。
• 準確地說，物種是指能夠相互交配併產生可育後代的生物體群。它們具有共同的基因庫，並且在生殖上與其他此類群體隔離。
• 這個定義有些含糊，但主要的決定因素是產生可育後代的能力。這就是驢和馬是不同物種的原因。它們交配時會產生騾子，但由於它們的染色體不完全匹配，騾子是不能生育的。
  • 然而，一些明顯不同的物種可以交配併產生雜交種，例如一些鴨子和植物。
  • 無性生殖的物種無法用這種方式進行分類。
  • 化石無法用這種方式進行分類，因為我們不知道它們是如何繁殖的。
  • 一些物種在身體上幾乎完全相同，但無法交配，例如英國的蝙蝠。
  • 環狀物種，如北極周圍的鯡鷗和小黑背鷗，能夠與相鄰種群交配，但無法與環狀更遠端的種群交配。

D.5.8 討論物種形成的過程，包括遷徙、地理或生態隔離和適應，最終導致基因庫的生殖或遺傳隔離。

• 隨著生物體在地域上分離，無法交配（它們的基因庫不混合），這些生物體變得足夠不同，無法交配。這些生物體已經變成了不同的物種。
• 地理隔離或生態隔離的兩個種群之間的差異是由自然選擇造成的。這種物種形成通常是由於遺傳變異造成的。它們有不同的棲息地要適應，因此它們以不同的方式進化，最終變得如此不同，以至於無法交配。然後，即使它們沒有地理隔離，它們也會發生生殖或遺傳隔離。

D.5.9 討論關於進化速度的想法，包括漸變論和間斷平衡論。

• 漸變論認為進化變化以恆定的緩慢速度發生。
• 間斷平衡論意味著長時間沒有變化，短時間內快速進化。
• 後者越來越被認為比以前認為的更重要。火山爆發、隕石撞擊和氣候變化會在特定時間加速進化，因為它們會在環境中造成快速變化，需要快速適應才能生存。只有某些物種能夠生存和進化。例如，當恐龍滅絕時，所有其他生物的進化路徑都突然間斷，因為它們能夠適應新出現的生態位。

D.6 選項 - 哈迪-溫伯格原理

僅限高階

D.6.1 用基因等位基因頻率的變化來描述適應性。

• 如果某個等位基因增加了擁有該等位基因的個體的生存和繁殖的機會，那麼該等位基因在基因庫中的頻率將會趨於增加。
• 如果一隻蛾子遺傳了某個基因的等位基因，使其在深棕色環境中呈現亮粉色，那麼它將很容易被發現並被吃掉。這將導致亮粉色等位基因的頻率下降。

D.6.2 解釋哈代-溫伯格方程（p平方 + 2pq + q平方 = 1）是如何推匯出來的。

• 在一個存在兩個等位基因的種群中，p 代表顯性等位基因的頻率，q 代表隱性等位基因的頻率。因此，等位基因的總頻率必須佔該種群中該特定基因座上所有基因的 100%。

     p + q = 1

• 當配子結合它們的等位基因形成合子時，AA（A 為顯性等位基因）的機率為 p 平方。aa 的機率為 q 平方。Aa 基因型可以透過兩種方式產生，具體取決於哪個親本貢獻了顯性等位基因。因此，雜合子的頻率為 2pq。基因型的頻率必須加起來為 1。因此，

     p² + 2pq + q² = 1
     AA +  Aa + aA + aa = 1

D.6.3 使用哈代-溫伯格方程計算一個基因的兩個等位基因的等位基因、基因型和表型頻率。

• 如果一個種群已知遵循哈代-溫伯格原理，則哈代-溫伯格方程可用於計算未知頻率。一個例子是，一個基因控制著品嚐苯硫脲 (PTC) 的能力。品嚐 PTC 的能力是由顯性等位基因 (T) 決定的，而不能品嚐 PTC 的能力是由隱性等位基因 (t) 決定的。

     1600 people were tested in a survey. 461 were non-tasters - a frequency of 0.288.
     Their genotype was homozygous recessive (tt).
     If q = frequency of t allele, q squared = .288 so q = .537
     If p = frequency of T allele, p = (1 - q) = .463
     The frequency of homozygous dominants (TT) and heterozygotes (Tt) can be calculated.
     p squared = frequency of homozygous dominants
     p squared = (.463)(.463) = .214
     2pq = frequency of heterozygotes
     2pq = 2 (.463)(.537) = .497 

D.6.4 說明哈代-溫伯格原理也可用於計算具有兩個等位基因的基因的等位基因、基因型和表型頻率。

• 哈代-溫伯格原理也可用於計算具有兩個等位基因的基因的等位基因、基因型和表型頻率。

D.6.5 說明哈代-溫伯格原理及其適用的條件。

• 如果一個種群中存在一個基因的兩個等位基因，那麼將存在三種可能的基因型：兩種等位基因的純合子以及雜合子。種群中這兩個等位基因的頻率通常用字母 p 和 q 表示。種群中等位基因的總頻率為 1.0，因此

     p + q = 1

如果一個種群中存在隨機交配，那麼遺傳兩個等位基因中第一個的兩個複製的機率為 (p)(p)。遺傳兩個等位基因中第二個的兩個複製的機率為 (q)(q)。雜合基因型的預期頻率為 2pq。總的來說，

     p² + 2pq + q² = 1 

• 如果基因頻率發生變化，那麼就會發生進化。

D.6.6 描述一個瞬時多型性的例子，以及鐮狀細胞貧血作為平衡多型性的一個例子。

• 多型性是指兩種或多種表型形式以足夠高的頻率出現，以便於觀察到。
• 平衡多型性是指一種多型性，其中特徵的頻率在一段時間內保持相當穩定。例如，鐮狀細胞貧血的隱性等位基因在純合隱性形式中非常有害，因為該個體只有鐮刀形紅細胞。然而，在雜合形式中，它可以保護個體免受瘧疾的侵襲。這就是為什麼它繼續存在，而不是被淘汰的原因。在暴露於瘧疾的種群中，它將增加，直到純合隱性形式變得過於常見。然後，它將保持平衡頻率。
• 瞬時多型性是指頻率隨著時間推移而發生變化的多型性。例如，如果一個患有較高鐮狀細胞貧血基因發生率的種群遷移到不再存在瘧疾的地方，那麼該基因將開始消失，因為對其有利的選擇壓力消失了，但反對它的壓力（純合形式）仍然存在。隨著時間的推移，它的頻率將會下降。