# 自然选择进化论

> CIE A-Level 生物学 · 9700 选择与进化
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-evolution-by-natural-selection/

本亚主题涵盖进化的核心机制：自然选择。我们将探讨达尔文-华莱士理论、变异和选择压力的作用，以及该过程如何导致适应和长期进化改变。

**先修:** [种群中的变异](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-variation/)

## 学习目标

- 概述达尔文-华莱士自然选择进化论的核心原理
- 解释选择压力如何驱动种群中等位基因频率的改变
- 区分自然选择与人工选择
- 针对考试常见案例构建完整的自然选择过程解释

## 达尔文-华莱士理论的核心原理

**自然选择** — 能提高生物生存和繁殖成功率的可遗传性状更有可能传递给后代，导致等位基因频率随时间发生改变的过程。

*例:* 深色桦尺蠖在被污染的树林中存活率更高。

自然选择进化论由查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士分别独立提出，该理论建立在四项核心观察基础上：

1. 所有种群产生的后代数量远多于能存活到繁殖年龄的个体，导致对有限资源的竞争
2. 所有种群内的不同个体之间都存在遗传变异
3. 变异是可遗传的，即它会从亲代传递给子代
4. 拥有更适应环境性状（适应）的个体更有可能存活、繁殖，并传递它们的有利等位基因

**例题:** 概述在19世纪工业化的英国，自然选择如何导致深色桦尺蠖（*Biston betularia*）的频率上升。

1. 1. 预先存在的遗传变异：桦尺蠖种群中原本就存在翅色变异，包括浅灰色带斑点的类型和稀有的黑色突变型。
2. 2. 选择压力改变：工业煤烟覆盖了树皮，杀死了浅色地衣。浅色桦尺蠖现在更容易被鸟类天敌发现，而深色桦尺蠖则得到了伪装。
3. 3. 差异化生存与繁殖：更多深色桦尺蠖逃脱捕食存活下来，成功繁殖，并将深色等位基因传递给后代。
4. 4. 等位基因频率改变：逐代繁殖后，污染地区深色等位基因的频率从不到1%上升到了90%以上。

> **考试提示:** 在CIE考试中，你必须明确将自然选择与*等位基因频率*的改变（而非仅性状频率）关联起来，才能获得满分。

## 选择压力与适应

**选择压力** — 影响不同表型个体生存和繁殖，提高具有有利性状个体繁殖成功率的环境因素。

*例:* 抗生素对细菌种群是强选择压力，筛选出具有耐药性的个体。

选择压力可以是生物性（有生命的）或非生物性（无生命的）。常见例子包括捕食、资源竞争、疾病、温度和水资源可用性。适应是能提高生物在环境中适合度（生存和繁殖能力）的可遗传性状，可分为结构适应、生理适应和行为适应。

**例题:** 解释自然选择如何导致细菌种群进化出抗生素耐药性。

1. 1. 随机突变：极少数细菌发生罕见自发突变，产生了抗生素耐药性等位基因。
2. 2. 选择压力发挥作用：使用抗生素后，所有不耐药的细菌都被杀死，仅剩下少数耐药个体。
3. 3. 差异化繁殖：耐药细菌没有竞争，因此快速繁殖，并通过无性繁殖将耐药等位基因传递给所有后代。
4. 4. 结果：短时间内，整个种群都对该抗生素产生了耐药性。

> **warning**
>
> 耐药性等位基因不是为了应对抗生素才产生的。突变是随机的：有利等位基因在选择压力作用前就已经存在。

## 自然选择与人工选择

自然选择常与人工选择对比，人工选择是人类有目的地筛选驯化动植物中理想性状的过程。两者的核心区别在于选择压力的来源和最终结果。

**方法对比**

两种过程的核心区别总结如下：

- **自然选择** — 选择压力来自自然环境。性状被筛选是因为它们能提高生物自身的生存和繁殖成功率。过程缓慢，发生在多代繁殖之间。结果产生对生物有利的适应。
  - 优点: 产生能良好适应自然环境的性状
  - 缺点: 过程缓慢，不针对人类的特定目标

- **人工选择** — 选择压力来自人类的有意筛选。性状被筛选是因为它们对人类有用或符合人类需求，无论对生物本身是否有利。过程快得多，仅经过几十到几百代。结果产生满足人类需求的驯化品种。
  - 优点: 速度快，能培育出具有人类所需性状的品种
  - 缺点: 可能产生会降低生物野外生存能力的性状

**例题:** 以驯化小麦为例对比自然选择和人工选择。

1. 1. 被筛选的性状：自然选择中，小麦被筛选出能传播种子的性状以扩散后代。人工选择中，农民选择种子留在植株上便于收获的性状。
2. 2. 选择来源：自然选择中，选择压力来自自然环境（竞争、捕食）。人工选择中，选择压力来自人类对亲本植株的有意筛选。
3. 3. 时间尺度：野生小麦的自然选择发生在数千代之中。现代高产驯化小麦是人工选择不到100年培育出来的。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为自然选择会为了应对选择压力产生突变
  - 原因: 突变是随机自发的，发生在选择作用之前。自然选择仅作用于种群中已经存在的变异。
  - 正确做法: 先说明随机突变产生了有利等位基因，之后自然选择提高该等位基因在种群中的频率。
- **错误做法:** 混淆进化和自然选择，将两个术语互换使用
  - 原因: 进化是结果（种群随时间发生的改变），而自然选择是导致进化的机制。考试阅卷者会因为这种混淆扣分。
  - 正确做法: 将进化定义为种群中等位基因频率随时间发生的改变，将自然选择定义为有利性状提高生存繁殖能力时，导致该改变发生的过程。
- **错误做法:** 在解释自然选择时忘记提及变异是可遗传的
  - 原因: 只有可遗传的遗传变异才能传递给后代，导致长期进化改变。不可遗传的获得性变异无法被自然选择筛选。
  - 正确做法: 描述自然选择过程时，始终明确说明有利变异是由基因决定且可遗传的。
- **错误做法:** 认为自然选择产生完美的适应
  - 原因: 自然选择只能作用于已经存在的变异，且环境条件随时间改变。不存在完美的适应。
  - 正确做法: 将适应描述为在当前环境中*提高*适合度的性状，而非完美或最优性状。

## 速查表

| 概念 | 考试核心要点 |
| --- | --- |
| 核心观察 | 过度繁殖→竞争；种群中存在可遗传的遗传变异 |
| 自然选择过程 | 可遗传的有利等位基因→更高生存/繁殖率→传递给后代→逐代提高等位基因频率 |
| 选择压力 | 筛选有利表型的环境因素；可分为生物性（捕食）和非生物性（温度） |
| 适应 | 提高生物适合度（生存+繁殖）的可遗传性状 |
| 自然选择vs人工选择 | 自然：环境筛选，利于生物；人工：人类筛选，利于人类 |

## 下一步

自然选择进化论是现代生物学的基础，也是选择与进化模块所有其他主题的核心支撑。理解这一核心过程能让你解释从全球抗生素耐药性危机到地球生物多样性起源的各类问题。接下来，你将在这些原理的基础上探索自然选择如何导致新物种形成，以及遗传漂变等其他因素如何改变种群中的等位基因频率。掌握本亚主题对于回答CIE A-Level生物学考试中选择与进化单元几乎所有的拓展回答问题至关重要。

- [物种形成](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-speciation/)
- [人工选择](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-artificial-selection/)
- [隔离机制](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-isolating-mechanisms/)

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