【原】【必修2教参】§6.1 生物有共同祖先的证据

囡波湾生物 2021-02-06

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一、教材分析

（一）教学目标

1，基于化石的直接证据，认同当今生物具有共同的祖先。

2.运用比较解剖学、胚胎学、细胞生物学和分子生物学等间接证据，说明当今生物具有共同的祖先，举例说明当今生物具有许多共同特征。

（二）教学重点和难点

1，教学重点

基于证据和逻辑，认同生物是不断进化的，当今的各种生物来自共同祖先。

2.教学难点

从细胞和分子水平找寻当今生物具有共同特征和共同祖先的证据。

（三）编写思路

生物是由共同祖先进化而来的，是本模块乃至整个高中生物学教学中最重要的大概念之一。

基于证据和逻辑进行推理，形成生物是不断进化的、当今生物来自共同祖先的观点是本节的基本内容，也是本章的基础。

本节的标题为《生物有共同祖先的证据》，开宗明义，一方面表明当今生物具有共同的祖先，另一方面说明这一结论是有证据支持的。那么这些证据是什么呢？这些证据怎样说明当今生物具有共同的祖先呢？这就是本节的主要内容。

教材在“问题探讨”中以达尔文提出的“共同由来学说”与“人猿共祖说”的争议创设情境，引发学生思考。这两个问题都引导学生关注证据，问题虽然简短，却引人深思，培养学生基于证据进行推理判断的科学思维。

接下来，教材说明达尔文的生物进化论主要由共同由来学说和自然选择学说组成。并说明达尔文列举了大量的证据来论证自己的理论，后来人们又发现了许多支持生物进化论的新证据。由此引入本节的主要内容。

化石是证明生物进化论的直接证据，因此教材中单列“地层中陈列的证据--化石”的小标题，在这个小标题下，先介绍化石的定义，以及如何利用化石来研究生物的种类和特征，然后列举分布于不同年龄地层中的化石的生物类群，并安排“思考·讨论”活动，引导学生判断化石证据是否支持共同由来学说。在活动后，教材给出了基于化石判断生物进化的结论。

除了化石，科学家还发现了比较解剖学证据、胚胎学证据、细胞和分子水平的证据，这些证据是研究生物进化的间接证据。因此，教材将这些证据统一列在“当今生物体上进化的印迹——其他方面的证据”的小标题下。

比较解剖学证据、细胞和分子水平的证据的资料比较丰富，因此，教材在这两部分安排了“思考·讨论”活动，并配以相关的图文资料，通过问题引导学生对证据进行比较、分析和归纳，从中发现证据之间的联系，并判断这些证据是否说明当今生物具有共同特征，具有共同特征是否支持共同由来学说。这样的编排避免了大量文字的讲述，而引导学生主动思考，通过证据和逻辑推理，认同当今生物具有共同的祖先。

“从细胞和分子水平看当今生物的共同特征”中，3份资料的编排基于不同的考虑。资料1是细胞水平的证据，资料2和3分别是DNA水平和蛋白质水平的证据。讨论题除了针对3份资料设问，还让学生举例说出当今生物的细胞在代谢上的共同点。所有的讨论题都在引导学生从微观的证据出发，找寻当今生物之间的共同特征，发现多种多样的生物具有的统一性，进而理解这些证据有力地支持了生物有共同祖先的论点。

最后教材总结，指出化石为研究生物进化提供了直接的证据，比较解剖学、胚胎学、细胞和分子水平的研究也提供了有力的支持。这些证据互为补充、相互印证，都给生物进化论提供了有力的支持。实际上，教材对直接证据和间接证据的作用作了比较清晰的说明。

教材在课后安排了两个课外阅读栏目，“理想的"地质时钟”，帮助学生了解如何测定化石的年代，有助于理解本节图6-2，“化石标本的制作人员”拓展了学生的视野，展示了化石标本制作人员的敬业精神和职业素养，渗透了职业生涯教育。

本节在学科核心素养方面，注重培养学生基于证据和逻辑，清晰地论证和表达观点的能力，认同并形成生物有共同祖先的观点，为后续各节解释适应和物种的形成打基础。

特别提示

海克尔的重演论存在争议，因此教材仅陈述了人的胚胎在发育早期会出现鳃裂和尾，与鱼的胚胎在发育早期出现鳃裂和尾非常相似的事实，并配了一幅人胚胎发育早期的显微照片（标注鳃裂和尾）。这些证据能够说明脊椎动物在胚胎发育早期都有彼此相似的阶段，支持人和其他脊椎动物有共同祖先的观点。

二、教学建议

（一）采取论证式教学策略

教师先分析教材，区分教材中提供的事实和观点，以及彼此的对应关系。以教师设计的问题为主导，引导学生基于教材提供的事实证据，通过分析、比较、归纳、质疑和辩论等过程，归纳、概括形成生物有共同祖先的观点，认同生物是进化而来的观点。论证式教学非常重视证据，要注重引导学生收集、整理和使用证据。例如，可让学生归纳已学习过的生物在细胞和分子水平上有哪些共同特征，并用表格的方式予以呈现。论证式教学也关注学生的交流，期待学生运用合理的证据和逻辑推理得出结论，并清晰地表达观点。可利用教材中的“思考·讨论”活动，引导学生讨论、交流和汇报。

（二）注重培养学生的思维方式

相比初中阶段的生物进化内容，高中阶段的生物进化内容更侧重于培养学生的思维方式。换言之，学生不仅要知道证据“是什么”，还要知道证据“为什么”和“怎么样”证明生物有共同祖先。具体而言，学生在初中已经学习了生命的起源、生物进化的历程、生物进化的一些证据，但初中教学侧重于提供事实和介绍观点。高中阶段学生的学习不仅是了解事实、接受观点，而且是对证据进行整理、比较、分析和归纳等过程后形成观点，即高中应重视学生科学思维的培养。例如，学生不仅应当知道化石是证据，还应明确“怎样通过化石来研究生物的进化？"“为什么可以通过化石来研究生物的进化？"并由此得出结论。

（三）创设教学主题情境，利用真实的情境体现学科本质观首先，利用“问题探讨”中的情境，引出“人猿是否同祖”的话题。这样做有两方面的好处：其一，这个话题可以作为本节的主题和主线，教材设计了一些问题串，引导学生在问题的驱动下，在不断得到证据的情况下进行逻辑推理，从而得出结论；其二，通过追问“为什么同祖却非同种？为什么生物会进化？生物是怎样进化的？”引入下节内容，将达尔文的共同由来学说与自然选择学说联系起来。

其次，教师应适当地提供相关现象、案例和真实的具体情境，让学生判断、评价、解释甚至决策，渗透人与其他生物和谐相处、生物是进化而来的等观念。

三、答案和提示

（一）问题探讨

1，提示：不能。反对共同由来学说的人主要包括支持神创论、物种不变论的人，也有人认为，进化论只是一种假说，不是科学事实。反对的人可能会拿出这些说法来进行反驳，但这些都不是有说服力的证据。

2，提示：学生在初中已学习了化石、同源器官、基因、蛋白质等方面的证据，可能会说出这些证据，但学生的理解还不够深入。

（二）思考·讨论1

1，提示：图6-2所示资料支持达尔文的共同由来学说。不同地层的形成年代不同，越早形成的地层中首次出现的生物越低等，生物特征越简单；越晚形成的地层中首次出现的生物越高等，生物特征越复杂。例如，21亿年前的地层中首次出现单细胞真核生物，7亿年前的地层中出现了多细胞生物，这说明多细胞生物出现的时间晚于单细胞真核生物，可判断多细胞生物是由单细胞真核生物进化来的。同理，根据图6-2可判断地球上所有的生物都是由原始的共同祖先进化来的。

2.提示：基于化石证据可判断赫氏近鸟龙既具有恐龙的特征，也具有鸟类的特征，属于恐龙和鸟类的过渡类型，这说明鸟类很可能是由恐龙进化来的。

3.提示：露西既有智人的特征，也有黑猩猩的特征，说明人和黑猩猩可能有共同的祖先，都起源于一类森林古猿。

（三）思考·讨论2

1，都有肱骨、桡骨、尺骨、腕骨、掌骨和指骨，其种类有一致性。

2，排列顺序一致。

3，提示：这四种前（上）肢骨骼有相同的起源，说明它们可能是由共同的祖先进化来的。

在漫长的进化过程中，因为适应不同的环境，逐渐出现了形态和功能的不同。

4，提示：人与蝙蝠、鲸、猫的骨骼结构十分发达，脊柱、肋骨、胸骨等形成支架起到支撑身体、保护内部器官的作用；头骨骨块减少或愈合，使头骨坚硬，起到保护作用，等等。

哺乳动物和鱼都具有头骨、脊柱、肋骨及附肢骨骼等。此外，一些具体的骨也有共同点，如哺乳类中耳的3块听小骨镫骨、砧骨、锤骨分别与鱼类的舌颌骨、方骨、关节骨有共同的起源。

不同类群动物的骨骼结构具有许多共同点，支持现有的脊椎动物有着原始的共同祖先。

（四）思考·讨论3

1，提示：都有细胞壁、细胞膜、细胞质、核糖体和DNA，地球上现存的古细菌与最古老的古细菌有相同的细胞结构模式，说明二者有共同的祖先。

2，提示：都有呼吸作用，代谢中的酶类非常相似，都有相同的能量“货币"——ATP，绿色植物能进行光合作用，等等。

3，提示：说明人和猩猩、长臂猿、黑猩猩等类人猿可能有共同的祖先。

4，提示：人和其他生物的细胞中普遍含有细胞色素c，说明这些生物都有共同的祖先。细胞色素c的氨基酸序列差异的大小揭示了不同生物之间亲缘关系的远近，差异越小，表明亲缘关系越近。

（五）练习与应用

概念检测

1.（1）√（2）√（3）×

2.A

3.D

拓展应用

1，提示：可以举出本节教材中的各种证据，如不同地质年代中相继出现的生物类群，已经绝灭的物种，物种大爆发事件，地壳剧烈运动、气候剧烈变化和小行星碰撞地球等事件对生物的影响；也可以引用达尔文论证生物进化论时列举的大量证据，如在加拉帕戈斯群岛所发现的大量物种形成的事实。需要注意的是，你要从所选择的证据出发，厘清与所反驳的观点之间的逻辑关系，进行有针对性的论述。

2，提示：以澄江生物化石群为例，说明该化石群的发现在研究生物进化中的重要意义。澄江生物化石群分布在中国云南省澄江县，保存了大量具软躯体或弱矿化外壳的后生动物化石，展示了5.3亿年前的海洋生态系统，是研究寒武纪大爆发事件最重要的化石宝库之一。澄江生物化石群的科学意义在于：（1）在前寒武纪到早寒武纪的生命演进过程中，填补了从埃迪卡拉生物化石群（发现于澳大利亚的前寒武纪晚期地层）到布尔吉斯页岩生物化石群（发现于加拿大的中寒武纪地层）之间长达数千万年的古生物资料空白；（2）呈现出一个前所未有的仅在二三百万年的“瞬间时空”里生物（特别是动物）大规模涌现的突发生物事件，是寒武纪生命大爆发的最好例证。

四、背景资料

（一）化石、比较解剖学、胚胎学、分子生物学等在研究生物进化中的作用

化石记录为生物进化理论提供了最直接的证据。在地质历史过程中形成的岩层，就像一部地球生物进化的编年史，年代越久远的生物化石，就保存在越靠下的岩层中，因此，化石在地层中出现的位置可以揭示它们的相对年代。纵观各个地层的化石记录，也呈现出生物体结构复杂性增加的总趋势。

比较解剖学就是比较不同物种之间的身体构造的学科。物种之间特定的解剖学相似性蕴含着进化史的证据。例如，大家熟知的人的上肢、猫的前肢、鲸的鳍、蝙蝠的翼以及鸡的翅，虽然它们功能不同，外部形态也有差别，但他们的骨骼结构却是相似的。原因在于所有的哺乳动物都起源于具有前肢原型的共同祖先，上肢、鳍、翼、翅等都是由共同的解剖学原型为适应不同的功能而产生的变异形式。比较解剖学的研究证实进化是一个重塑的过程。祖先的结构最初可能只适应于某一种功能，但由于发生了改进而产生了新功能。

胚胎学是对生物体发育过程中所出现的结构进行比较的学科，亲缘关系相近的生物体在胚胎发育阶段形态相似，因此也为生物进化提供了重要证据。[11例如，在食蚁兽胚胎的下颌内会出现牙齿原基，随后又消失了。一些陆生蛙类和蝶螈类的幼体阶段是在卵中度过的，这些幼体具有典型的水生幼体的特征，但从卵中孵化出来时就可以在陆地上生活了。

随着分子生物学的不断发展，进化研究也进入了分子水平，并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的理论和方法。基因组的海量信息为进化研究提供了有力的帮助。研究表明，在不同物种中，相应的核酸和蛋白质序列组成存在广泛差异，这些差异是在长期进化过程中产生的，具有相对稳定的遗传特性；物种间的核苷酸或氨基酸序列相似程度越高，其亲缘关系越近，反之则亲缘关系越远；从分子水平研究获得的生物进化信息与地质研究估计的数据十分接近。因此，从分子水平研究生物进化具有以下优点：（1）根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上的差异程度，可以估测生物种类的进化时期和速度；（2）可以比较亲缘关系极远类型之间的进化信息；（3）分子水平研究更有利于对结构简单的微生物进化的阐述。

（二）化石

1.什么是化石？

化石是指通过自然作用保存在地层中的古代生物的遗体、遗物或生活痕迹等。能够保存下来的通常是古代生物有机体中不易腐烂的坚硬部分，它们被封闭保存在沉积物里，并最终被埋藏在岩石中。岩石分为火成岩（由火山爆发后的熔岩形成）和沉积岩（经由地层的沉积、成岩作用形成），在高温高压的作用下，两种岩石都可以质变为变质岩。化石大多数发现于沉积岩中。在变质岩中，即便有化石，通常也已经变得面目全非。还有极少数的化石埋藏于其他基质中，例如，在琥珀中发现过昆虫，在永冻土层中发现过猛犸及其他少数物种。

2，化石的研究方法和结论

化石的常规研究步骤包括：化石标本的采集，标本的揭露和分离，化石的鉴定和记述，化石的照相、制图和复原，以及化石资料的分析和应用等。1451

（1）化石标本的采集

在进行野外化石标本的采集前，要先调查该地区的情况，如大地构造和古地理背景、地层层序及其露出情况等。根据研究目的的不同和化石标本类型（如大化石、微化石等）的不同，采集的范围和方法都有差异。例如，微化石很小，一般肉眼不可见，采集微化石和采集大化石不同，通常是将埋藏微化石的沉积物一起采集，然后在实验室处理和分离微化石标本。此外，采集化石标本时，要采集新鲜化石样品，防止样品被污染。

（2）标本的揭露和分离

采集大化石时，应尽量采集保存完好、暴露全面的标本。当难以采集到完整标本时，要特别注意采集标本的一些具有关键性鉴定特征的部位。对采集到的标本进行包装保护也是十分重要的。标本的修理和一些关键性鉴定特征的揭露是一项十分细致的工作。为了揭示化石的内部构造，有时要做切片处理，或者磨出光面进行观察

（3）化石的鉴定和记述

化石从围岩中揭露和分离出来之后，就可以进行各项研究了。首先要根据化石特征进行鉴定。查阅有关文献，对照前人已有的化石标本、化石图片和记述资料，给标本定名，确定其归属。化石鉴定后，要结合野外观察记录等进行整理和补充，作出修正的要在室内记录中记述修正意见和结果。

（4）化石标本的照相、制图和复原

照片能清晰地表现化石标本的主要特征。在通过文字描述化石特征的同时，应搭配能清楚明确地表现其关键特征的化石照片或扫描电镜照片。对于某些在照片中不易被注意到，或者不能清晰明确地表达的重要特征，以及一些重要的细节，还应绘制线条图加以说明。某些个体较大的化石，如某些脊椎动物化石和古植物化石，身体各部分往往分开保存，为了对化石有一个整体的认识，科研人员还会对化石进行复原。

（5）化石资料的分析和应用

通过研究化石，可以从生物学的角度对化石资料进行分析和应用，从而研究生命演变的历史，以及生物体结构的演变过程。化石具有明确的时间含义，是地质历史的另一种时间标尺，因此，可以从时间和历史发展的角度对化石资料进行分析和应用。由于生物与环境是统一的整体，因此，也可以从古环境及其变迁的角度对化石资料进行分析和应用。

3.化石缺失及其原因

通过化石记录研究生物进化的主要困难是化石记录的不完整，导致这一困难的原因有以下几点。①许多生物难以形成化石。这类生物比较纤弱，缺少坚硬部分，或者在所处的环境（如在潮湿的环境中）中，有机体会很快腐烂。②沉积地层的形成是偶然的。某个地区曾经栖息过的生物类群，通常只有小部分能够通过化石保存下来。③化石记录的发现也有偶然性，埋藏化石的地层必须凝结固化成岩；这些沉积岩必须历经数百万年而未被侵蚀、变质或消融；并且这些沉积岩必须露出让研究人员获得标本。

4，通过化石研究某个物种的进化历史

如果化石记录较为完整，可以根据化石研究某个物种的进化历史。现代马是高度特化的哺乳动物，它的足上仅有一个趾（第三趾）。通过研究马的化石可知，马在地球上从出现到现在已有约6000万年的历史了。1867年，在美国南部始新世的岩石中，发现了最早的马化石，这种马被称为始祖马。始祖马的前足有四个脚趾，后足有三个脚趾，体高约40cm，大小如一只狐狸，牙齿构造简单，齿冠低，6000万~4500万年前广泛分布于北半球。过了1000万年（3500万年前），三脚趾的渐新马出现了。随着草本植物的出现，以及对食草方式的适应，马的物种多样性也得以增加。直到1500万年前，第一批单趾马才开始出现，南美马是最为人所熟悉的一种。先后又经过了中新马、草原古马、上新马的发展，大约在100万年前，现代马开始出现。马科谱系是第一个搞清楚的化石生物谱系，它为进化论提供了有力的古生物学方面的证据。

（三）生物进化的胚胎学证据和重演论

1，胚胎学证据在生物进化研究中的作用

胚胎学证据是生物进化研究中的重要判断依据之一。生物进化重要的原理之一就是生物体的特征几乎都是由祖先中已经存在的特征进化而来的，而不是新产生的。来自共同祖先的生物类群的性状特征的相似性即为同源性。通过对胚胎时期的研究，我们可以看到许多在成年期已经消失或不好辨别的性状特征。因此，胚胎学研究对于推测同源性常常起着重要作用。

不同物种在胚胎时期往往比成年时更为相似，对胚胎发育阶段的研究表明，有着共同祖先的许多物种在进化过程中是如何在不同分支上逐渐分化的。[8]这里以蝶螈为例进行简单介绍。蛛源的祖先在生活史中拥有水生的幼体阶段，此时的幼体具有与成体不一样的特征（如有鳃样的特征、部分骨骼与成体不同）。在后来出现的某种完全陆生的蝶螈中，这种水生幼体阶段的发育式样丢失了，但是研究发现，当这种陆生蝶螈在卵内发育时，它们仍然具有某些水生幼体的骨骼特征，只是在孵化后这些蛛螈便拥有了成体的特征。这表明，该陆生蝶螈的水生幼体特征并没有在进化中完全丢失，该胚胎学证据对于研究蝶螈的进化历程具有重要意义。

2.冯·贝尔定律与重演论

比较胚胎学的创始人冯·贝尔（K.E.von Baer，1792-1876）对多种脊椎动物的胚胎发育进行了长期的比较研究，并提出了冯·贝尔定律：所有的脊椎动物只有在通过一个非常相近的胚胎期之后，才发生了发育途径的分歧。对冯·贝尔这一经典性的结论，生物学界仍有不同的看法，如卵裂的形式多种多样，从囊胚到原肠胚的发育在不同分类单元的脊椎动物中存在显著差异，即使在哺乳动物中也不尽相同。由此可见，在脊椎动物胚胎发育的初期已存在明显的发育途径的分歧。但无论如何，冯·贝尔首次在个体发育与系统发育之间架起了一座桥梁，通过比较胚胎学探讨生物进化的问题，无疑给后来的相关研究以诸多启迪和巨大推动。

在重演论的提出和发展过程中，多位科学家对其进行了修正与完善。其中，最为人熟知的是德国科学家海克尔（E.Haeckel，1834-1919），他受冯，贝尔研究的影响，进一步提出个体的发育过程重演了系统发育的进程。他认为，通过研究胚胎学，人们可以读出一个物种的系统发生（进化历程）关系，或者说个体发育是对其种族进化史的微缩重演。海克尔还手绘了动物的胚胎发育过程对比图，发表在1874年的《人类的进化》（Anthropogenie）上。图6-1（仿制图）在当时引起了极大的轰动，因为这些不同物种的脊椎动物的胚胎之间表现出了很高的相似性。然而，19世纪末期，随着对胚胎学研究的不断深入，人们就发现重演论是不成立的，海克尔的胚胎图过度放大了脊椎动物的相似性，弱化了差异性。例如，哺乳动物和爬行动物胚胎期的咽裂和魄弧不可能形成像成年鱼类那样的典型结构。因此，重演论显然不能作为系统发生历史的可靠依据。但是，胚胎在发育过程中会重演祖先的某些特征这一点是不争的事实，例如，人胚胎早期会出现与鱼胚胎早期非常相似的鳃裂和尾。尽管海克尔的重演论没有经得起科学的检验，但是胚胎学的相似性为生物进化论提供了证据，仍然是有重要作用的。

（四）趋同进化与同功器官

趋同进化是指不同物种在相似的环境中发育出相似的性状的进化过程，它是不同生物在相同环境条件下得到相同选择的结果。例如，空中的鸟类与蝙蝠，海中的鲨鱼与海豚，它们在外形上都表现出明显的相似，但在亲缘关系上却分别隶属于不同的纲。又如，非洲的大戟属植物与美洲的多种仙人掌植物虽然是截然不同的种子植物，但外形却很相似。

趋同进化的结果常常伴随着同功器官的产生。同功器官是功能相同、形态类似，但起源不同、结构不同的器官。同功器官不能说明它们在进化上有共同起源，只表明它们具有相似的功能。例如，蝶翅和鸟翼均为飞翔器官，但蝶翅是膜状结构，由皮肤扩展形成；而鸟翼是由前肢形成，内有骨骼，外有羽毛，它们就属于同功器官。再例如，山楂、刺槐、蔷薇的枝条上都有坚硬的刺，都具有保护植物免受伤害的作用，但是它们的起源却完全不同，分别是变态的枝、变态的托叶以及茎皮层的突起，它们也属于同功器官。

许多在形态学特征中发现的进化式样同样可见于分子层次。齿鲸类，包括海豚，是除蝙蝠外唯一使用回声定位的哺乳动物。那么，回声定位蝙蝠与回声定位鲸类之间是否存在听觉基因的趋同进化？为了探究这一问题，科学家从分子水平对与听觉相关的“快蛋白”基因进行了进化分析。快蛋白定位于哺乳动物内耳和耳蜗毛细胞膜上，被认为可以影响听觉的频率选择性。当科学家对许多哺乳动物中的快蛋白基因序列进行进化分析时，发现在所构建的进化树上，相较于与鲸类亲缘关系最近的猪和牛的快蛋白基因序列，海豚的快蛋白基因序列与蝙蝠的距离更近。而两种非回声定位的须鲸的快蛋白基因序列还是同与它们亲缘关系较近的牛距离更近。以上研究表明回声定位鲸类与回声定位蝙蝠的快蛋白基因在分子水平上同样存在趋同进化。

（五）基因水平的证据

随着分子生物学的不断发展，进化研究也进入了分子进化的研究水平。分子进化是指生物进化过程中生物大分子（核酸和蛋白质）结构和功能的变化以及这些变化与生物进化的关系，即DNA，RNA和蛋白质水平上的进化过程。生物大分子蕴含着丰富的生物进化信息。可以说，分子进化的证据给生物进化的研究带了革命性的突破。

在分子水平上探讨进化，最直接的方式是分析遗传物质本身-核酸。基因水平的证据主要是指通过对DNA序列的研究得到的生物进化证据。每个核苷酸位置上的碱基（A，T，G，C）都可以被视为一个特征，DNA序列通常能够比形态学或其他表型特征提供更多的数据，这使得研究人员能够发现更多生物之间的进化关系。

1，从基因的进化来推测生物的进化关系

物种中的每一个基因都有一段来自其祖先的传承历史。从量的方面来看，在生物进化的过程中，一般情况下从低等到高等，基因的数量是逐渐增加的；从质的方面来看，随着生物的进化，DNA中的碱基序列也发生了变化。我们能够基于基因的DNA序列比对数据来推断相应物种之间的进化关系，即我们假定同源基因之间的关系与相应物种之间的关系是相同的。一般情况下，物种之间基因的DNA序列的相似程度越高，其亲缘关系就越近。

那么，这些不同物种间相似的基因是如何产生的呢？这里要提到同源基因的概念。同源基因是具有共同的进化起源，序列结构和功能相似的基因。如图6-2所示，祖先物种的基因发生基因重复后，产生了两个基因a和p，随后这两个基因在序列上会有不同的演变。由共同祖先基因分化而来的基因则为直系同源基因；而起源于祖先基因重复事件的那些基因为旁系同源基因。基因重复是一种突变，在整个进化过程中是随机发生的，上述过程在进化历史中可能发生多次。

2，通过基因分析研究生物之间的亲缘关系

基于DNA序列的生物进化分析可以揭示一些以前令人困惑的生物之间的关系。例如，大王花与大戟在形态上的差异很大，生活方式也十分不同，且大王花为寄生植物，传统的表型特征分析很难判断二者之间的关系；但DNA序列分析表明，大王花与包括大戟在内的几个科都有亲缘关系。再例如，类人猿包括猩猩、大猩猩、黑猩猩。从形态特征看，猩猩、黑猩猩和大猩猩之间要比它们与人类之间更像。因此，传统观点认为类人猿是一个单系，人首先分化出来。然而，利用分子杂交技术，研究人员测定了5种灵长类动物与人的DNA的相似性。结果显示，黑猩猩与人的DNA相似性最高，这表明黑猩猩与人的亲缘关系更近。

现在各种数据库的建立使基因序列的获得和比对变得更为便捷。需要特别注意的是，利用基因序列分析得出的进化关系并不一定是百分之百准确的，造成这种现象的原因比较复杂。因此，为了得到较为准确的进化关系，研究人员往往要结合多方面的进化证据。

（六）蛋白质水平的证据

在分子进化的研究中，对蛋白质序列的分析和对基因序列的分析有许多相似之处。在很多不同的生物中，都存在着功能相似、氨基酸序列也相似的蛋白质，它们被称为同源蛋白质。一般来讲，如果两个物种在进化上的亲缘关系越近，它们同源蛋白质的氨基酸序列就越相似。以血红蛋白的一个亚基为例，在其141个氨基酸中，人类与黑猩猩之间只有1个氨基酸不同，但人类与马之间却有18个氨基酸不同。这表明人与黑猩猩之间的亲缘关系更近。细胞色素c是电子传递链上的关键蛋白质，从需氧的原核生物，到单细胞真核生物，再到真菌、植物、动物，直到人，都有细胞色素c。不同生物的细胞色素c具有相同的功能和相似的氨基酸序列，基于细胞色素氨基酸的差异，可以推算出不同物种的进化关系。与人的细胞色素c的氨基酸序列差异越小的物种，与人的亲缘关系越近。细胞色素c是很保守的蛋白质，它的进化速度是很缓慢的，因此，它不适合用来测定亲缘关系很近的物种之间的进化关系。对于亲缘关系较近的物种，研究人员一般选取进化速度较快的蛋白质，如碳酸酐酶1就可以用来较为精确地测定人与其他灵长类动物的进化关系。

蛋白质的生物学功能取决于其空间结构，蛋白质只有折叠成特定的空间结构才具有相应的活性和功能。研究表明，蛋白质的结构比序列更加保守，通过比较蛋白质的空间结构，可以发现蛋白质的结构共性，发现属于同一家族蛋白质的保守结构等，这是仅仅分析氨基酸序列无法发现的，因此蛋白质结构的比较对研究蛋白质的功能和蛋白质之间的进化关系有重要意义。例如，细胞色素c的分子结构是比较保守的。观察和比较细胞色素c的空间结构发现，在细胞色素c的分子中，第70-80位以及第14、17和18位的氨基酸是保守的，因为它们在空间结构中形成了个与血红素结合直接有关的区域，这对细胞色素c的功能是十分重要的。分子进化研究表明，生物大分子的空间结构比其一级结构（氨基酸序列）更具保守性，这与细胞色素c功能上的保守性是一致的，这也符合结构与功能相适应的观点。

研究人员已经开始将注意力从主要根据蛋白质氨基酸序列之间的异同来确定其进化关系，逐渐转移到依据比较它们的空间结构来确定其进化关系。随着生物信息学的不断发展，借助蛋白质结构数据库，通过合理的算法，研究人员可以构建蛋白质结构进化树，获得重要的进化信息。

（七）通过线粒体DNA和Y染色体研究人类的起源

关于人的起源，存在两种尖锐对立的假说：非洲起源说和多地域说。前者认为目前所有的人都来自20万年~10万年前走出非洲的直立人，这些直立人迁徙至世界各地，取代了当地由更早的非洲直立人迁徙而来形成的古人。后者则认为现代人是由扩散到不同地域的直立人平行进化的结果。目前支持证据较多的为非洲起源说。

基于线粒体DNA的遗传学研究支持了非洲起源说。线粒体只在母系中传承，没有机会重组，所以对线粒体DNA（mtDNA）的研究可以追踪人类母系的历史。研究显示，欧洲、亚洲和美洲人是在10万~5万年前由非洲的种群经由亚洲西南部（中东地区）所传衍下来的。同时，根据mtDNA建立的族谱显示，人类族谱最早可以追溯至15万年前，换句话说，即使现存亲缘关系最远的人，在15万年前也有共同的祖先。

如果能够追踪父系的路径，并且得到与母系路径相似的结论，那将是研究人类进化十分有利的证据。Y染色体是基因组中男性特有的成分。根据人类性别决定的机制，任何Y染色体都是“独一无二的”，绝对不会有另一个Y染色体可以与它有遗传物质的交流。通过对Y染色体的研究，科学家也发现人类族谱的根源在非洲，而且再度证明了人类族谱很短，只有15万年。

对mtDNA与Y染色体的研究暗示，15万年前，人类族群可能经历了一场剧烈的遗传变化。那时有许多具有不同mtDNA和Y染色体的人，但是今天的人却都是其中“一个mtDNA"和“一个Y染色体”的后代。也就是说，含有其他序列的人都绝灭了，这些族群很可能经历了瘟疫或气候改变等事件。在这一事件发生后，我们的祖先离开非洲，走上了占领全球的漫长旅程。

五、教学案例与评析

生物有共同祖先的证据

湖南省株洲市教育科学研究院　庄晋

教学目标的确定

课程标准与本节对应的“内容要求”是：“尝试通过化石记录、比较解剖学和胚胎学等事实，说明当今生物具有共同的祖先”“尝试通过细胞生物学和分子生物学等知识，说明当今生物在新陈代谢、DNA的结构与功能等方面具有许多共同特征”。“学业要求”是：“分析不同类型的证据，探讨地球上现存的丰富多样的物种是由共同祖先长期进化形成的”。结合教材内容，确定本节的教学目标如下。

1，通过对化石、比较解剖学和胚胎学证据进行比较、分析、归纳、概括，说明当今生物具有共同的祖先。

2，说明当今生物在新陈代谢、DNA的结构与功能等方面具有许多共同特征，从细胞和分子水平佐证了当今生物具有共同的祖先。

3，基于对丰富多样的生物具有共同祖先的认识，认同生物的统一性，摒弃人类中心主义的观点。

教学设计思路

本节教学设计的主线：提出问题、引导讨论→基于事实、分析证据一质疑辩论、进行论证得出结论、迁移应用。

学生主体活动表现为：列举事实（来自教材或课外搜集的资料），基于事实，分析推理或质疑辩论；教师主导作用体现为：通过问题组以及关联任务，对论证进行引导。在教学任务驱动下，师生共同推动论证过程，训练学生比较、分析、归纳、概括等科学思维，形成生物是由共同祖先进化而来的观点。

基于这一观点，倡导关注人和其他生物和谐共生；结合具体情境，用生物进化的观点解释、评价相关问题，提升社会责任。

本节课的探究思路：通过事实，求“同”，认同生物是由共同祖先进化而来的。那么为什么出现“不同”的物种，即为什么进化，是怎样进化的？既可说明本节教材中达尔文生物进化论的两大学说-共同由来学说和自然选择学说之间的逻辑关系，又引出下节课的教学内容。

基于教学目标和对教材的理解，教学设计的大致流程如下图所示。