遗传物质及作用原理
遗传物质及作用原理
《重点、难点解析及知识扩展》
本单元通过生物性状遗传的概述,使同学们对性状遗传的总体有一基本认识;然后寻找遗传物质,要达到这一目标先要确定遗传物质应具备的特点,再找到具备这些特点的物质即为遗传物质。通过噬菌体侵染细菌的实验、肺炎双球菌转化实验,证实了DNA具备遗传物质的特点,就是遗传物质。找到遗传物质后,我们就开始研究这一物质的结构层次和特点;之后为了研究遗传物质是怎样传递和表达遗传信息的,需要先搞清基因、遗传信息的概念。在分析了遗传物质的作用原理之后,将整个复制、转录、翻译的过程加以总结,即为中心法则。有关《遗传物质及其作用原理》的知识,内容多,又十分抽象,不容易理解;通过以上的条理化,就容易掌握了。其中,通过分析噬菌体侵染细菌等实验结果,理解DNA是遗传物质;DNA的分子结构及其特点;基因的概念;DNA的复制过程及特点是重点。
㈠生物性状遗传概述
㈡遗传物质的分析
⒈遗传物质的特点
⑴分子结构相对稳定(贮存遗传信息)
⑵通过自我复制使前后代保持连续性(传递遗传信息)
⑶通过指导蛋白质合成控制生物性状(表达遗传信息)
⑷引起生物遗传的变异(改变遗传信息)
⒉DNA是遗传物质的证据
⑴噬菌体侵染细菌的实验 T 2噬菌体复制繁殖过程
分析结论
①DNA 是连续的,子代DNA 是亲代DNA 模板的复制产物。 ②蛋白质是不连续的,子代蛋白质是在DNA 指导下重新合成的。 ⑵细菌转化的实验
肺炎双球菌的特点
R 型(无荚膜) S 型(有荚膜)
体外转化的实验过程 分析结论
①DNA 能够引起遗传的变异
②DNA 只有保持分子结构稳定才能行使遗传功能
⒊ RNA 是遗传物质的证据
㈢DNA 的分子结构 ⒈结构层次
⑴基本元素组成 C 、H 、O 、N 、P 等 ⑵基本组成物质 脱氧核糖、含氮碱基、磷酸 ⑶基本结构单位 4种脱氧核糖核苷酸 ⑷化学结构(1级结构) 脱氧核糖核苷酸链 ⑸空间结构—双螺旋结构(2级结构)
⒉结构特点
⑴双螺旋结构相对稳定性和DNA分子空间构型的相对稳定性主要靠两种力:
①互补碱基之间的氢键作用
②碱基对平面之间的相互作用力(碱基堆积力)。
⑵DNA分子的特异性:DNA分子的含氮碱基有四种,不同生物的DNA分子中各种碱基的数量不同,通常以碱基比率(A+T/G+C)来表示碱基数量变化。每个特定的DNA分子都有其特定的碱基比率和碱基序列,因此有特异性。碱基比率(A+T/G+C)具有种属特异性,没有器官特异性。
A+T/G+C 1.79 1.21 1.52 1.39 1.43 1.43 1.43
⑶碱基序列具有多样性。
⒊RNA分子结构与DNA的差异
化学组成上的差异
㈣基因和遗传信息
⒈基因—蕴含遗传信息的特定核苷酸序列
⑴基因与性状的关系:基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位。
⑵基因与DNA的关系:即基因的化学本质。基因是有遗传效应的DNA片段.
⑶基因与遗传信息的关系:即基因起作用的原因。每个基因中的碱基排列顺序代表着特定的遗传信息。生物性状的遗传,实质上是通过基因中特定的脱氧核苷酸序列来传递遗传信息。基因是遗传信息的载体。
⑷基因与染色体的关系:即基因的位置。细胞核基因在染色体上有一定的座位,许多基因在同一条染色体上呈线性排列。基因的主要载体是染色体。
⒉遗传信息—子代从亲代获得的控制性状发育的信号
⑴由基因中4种脱氧核苷酸序列编码
⑵以三联体密码形式贮存于DNA分子链中
⑶分为蛋白质结构的编码信息和选择性表达信息两大类
⑷生物性状遗传实质上是遗传信息的传递和表达
㈤遗传物质的作用原理
⒈DNA复制―传递遗传信息
⑴复制时间有丝分裂间期和前减数分裂期
⑵复制过程
⑶复制基础
①特定的双螺旋结构为复制提供精确模板
②碱基互补配对能力保证复制准确进行
⑷复制条件
①以亲代DNA分子的双链为模板
②以核液中4种脱氧核苷酸为原料
③DNA合成酶系的催化
④脱氧核苷酸的高能键提供能量
⑸复制特点
①边解旋边复制,减少模板母链发生改变的机会。
②遵循碱基互补配对原则,保证复制准确进行。
③分段双向复制,提高复制速度。
④不连续复制和半保留复制。
⑹子代DNA分配到两个子代细胞中或配子细胞中
⑺复制意义将亲代遗传信息传递给子代
⒉基因控制蛋白质合成―表达遗传信息
转录―以DNA分子为模板合成RNA
⑴部位:细胞核内
⑵模板:DNA分子的非信息链
⑶碱基互补配对原则:A―U、T―A、G―C、C―G
⑷转录产物特点:mRNA单链上携带遗传信息
⑸mRNA动向:通过核膜孔进入细胞质,与核糖体结合。
翻译―以信使RNA分子为模板合成蛋白质
⑴信使RNA为直接模板
①信使RNA单链上以…三联体密码?形式转录着遗传信息
②信使RNA分子经核膜孔移动到细胞质中,并与核糖体相结合
⑵核糖体为蛋白质合成场所
⑶转运RNA为合成蛋白质的工具
①每个转运RNA分子的一端携带特异的氨基酸
②另一端的“反密码子”识别mRNA 的“密码子”
遗传密码―决定蛋白质分子氨基酸序列的DNA分子碱基序列
⑴通常指mRNA单链的碱基序列
⑵由相邻的三个碱基组成一个密码子,共有43=64种密码子
⑶有61个密码子分别为20种氨基酸编码,其余为终止密码
⑷一个氨基酸可由1个以上的密码子决定
中心法则―遗传信息的转移规律
⑴遗传信息在生物大分子间转移过程遵循的基本法则
⑵1976年克里克提出的图解表达方式如下:
⑶中心法则高度概括遗传物质的作用原理
[典型例题解析]
1.关于病毒遗传物质的叙述,下列哪一项是正确的?
A 都是脱氧核糖核苷酸
B 都是核糖核酸
C 同时存在核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸
D 有的是核糖核酸,有的是脱氧核糖核酸
[解析]某种特定的病毒中所含的遗传物质,只有DNA和RNA中的一种,或是DNA,或是RNA。答案为D。
2.组成小麦遗传物质的核苷酸、碱基、五碳糖种类依次是()
A、4、4、1
B、8、5、1
C、4、4、2
D、8、5、2
[解析]本题考核的知识点是小麦细胞内的核酸种类、两种核酸各自的基本单位及其物质组成。小麦属于真核生物;其遗传物质包括DNA、RNA,各自分别由磷酸、含氮碱、五碳糖三种物质组成。DNA的碱基有4种,RNA的碱基有4种,但其中有3种(A、C、G)是两者共有的,因此共有5种:分别是A、T、C、G、U;五碳糖:RNA基本单位中的五碳糖是核糖、DNA基本单位中的五碳糖是脱氧核糖,故共有2种;DNA基本单位有4种,RNA的基本单位有4种,虽然DNA 基本单位与RNA基本单位中的碱基有3种是共同的,但其基本单位中的五碳糖不同,故核苷酸有8种。答案为D。
3.假如两种生物细胞中的DNA碱基总量完全相同,而且四种碱基的量也分别相同,对此现象的解释是()
A、两种生物的DNA分子数量相同
B、两种生物的遗传信息必定相同
C、两种生物的性状一定相同
D、还不足以做出什么判断
[解析]两种生物细胞中的DNA碱基总量完全相同,而且四种碱基的量也分别相同,不能说明两种生物的遗传信息必定相同。因为可能碱基的排列顺序不同,遗传信息就不同,两种生物的性状也就可能不同;两种生物的碱基总量相同,不能说明两种生物的DNA分子数量相同,因为DNA分子的大小(长短)可能会不同。答案为D。
4.如果用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质外壳,当它侵染到细菌体内后,经多次复制,所释放出来的子噬菌体()
A、不含32P
B、含少量32P
C、含大量32P
D、含少量35S
[解析]因为蛋白质中多数含S而不含P,而DNA中多数含P而不含S,所以可以用32P和35S分别标记噬菌体的DNA 和蛋白质外壳。噬菌体侵染细菌时,注入到细菌体内的是噬菌体DNA分子,噬菌体蛋白质没有进入到细菌中,复制出来的噬菌体的蛋白质是在噬菌体DNA的指导下重新合成的。所以,所释放出来的噬菌体不含35S。如果一个噬菌体侵染细
菌,复制若干代后(n),DAN分子总数是2n,而带有32P模板母链只有两条,所以带有32P标记的DNA分子只有两条。答案为B。
5.我国学者童第周等人从蝾螈(有尾两栖类)内脏中提取DNA,再注入金鱼的受精卵中,结果发现约有1%的小金鱼在嘴后长有一根有尾两栖类的平衡器,这个实验主要证明DNA()
A、能控制蛋白质的生成
B、能进行自我复制
C.能产生可遗传的变异D.分子结构相对稳定
[解析]棒状平衡器是一种性状,而性状是通过蛋白质表现出来的,因此它是生命活动的主要体现者。本题中棒状平衡器的出现,就是蝾螈内脏细胞中的DNA控制蛋白质合成的结果。答案为A。
6.格里菲思和艾弗里所进行的肺炎双球菌的转化实验,证实了()
①DNA是遗传物质
②RNA是遗传物质
③DNA是主要的遗传物质
④蛋白质不是遗传物质
⑤糖类不是遗传物质
⑥DNA能产生可遗传的变异
A.①④⑤⑥B.②④⑤⑥C.②③⑤⑥D.③④⑤⑥
[解析]格里菲思和艾弗里所进行的肺炎双球菌的转化实验,证实了DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质,糖类不是遗传物质,DNA能产生可遗传的变异。故此题的答案为A。
7、在含有4种碱基的DNA区段,有腺嘌呤a个,占该区段全部碱基的比例为b,则()
A、b≤0.5
B、b≥0.5
C、胞嘧啶为a(1/2b-1)
D、胞嘧啶为b(1/2a-1)
[解析]本题考核的知识点为碱基互补配对知识。该题看上去似乎无从下手,其实只要解题思路对,就容易得出答案。该题的解题思路是:已知有腺嘌呤(A)a个,占该区段全部碱基的比例为b,则可推出全部碱基共a/b个。由于A=T,G =C,则C=(a/b-2a)/2,即a(1/2b-1),故选C。
8、对于同一物种的受精卵内遗传物质的下列描述中,有错误的是:
A、不同受精卵内的染色体数目是相同的
B、不同受精卵内的遗传物质是不同的
C、受精卵内的遗传物质一半来自于母方,一半来自于父方
D、受精卵内的遗传物质是该生物个体未来性状表现的决定因素。
[解析]本题考核的知识点是遗传物质的概念、存在部位、主要功能,受精作用的具体过程、染色体在生命周期中的数量变化等知识点,具有很强的综合性。在生命周期中,根据减数分裂和受精作用中染色体的变化,可知同一物种的不同受精卵中染色体的数目是相同的,故排除选项A;同样根据减数分裂和受精作用中染色体的行为变化,可知受精卵内的遗传物质来自父母双亲,父方形成的精子种类、母方形成的卵细胞种类都是多种多样的,因此同一物种的不同受精卵细胞内遗传物质是不相同的,故排除B;根据遗传学原理,生物的性状表现是受精卵内的遗传物质和环境共同作用的结果,其中内因即遗传物质起决定作用,故排除D;根据细胞内遗传物质存在于细胞核、细胞质(例如线粒体)中,而根据受精作用的过程,精子只有头部(细胞核的部分)进入受精卵,故精子为受精卵提供的是核内的遗传物质,受精卵细胞质内的遗传物质则完全来自于母方(即卵细胞),因此只能说受精卵核内的遗传物质一半来自于父方、一半来自于母方;而不能说受精卵内的遗传物质(包括细胞质内的遗传物质)一半来自于父方,一半来自于母方,故选C。
9、某双链DNA分子中A+T/C+G=1.5,它的T占全部碱基的
A、20%
B、25%
C、30%
D、无法计算
[解析]已知双链DNA分了中A+T/C+G=1.5,因此A+T占全部碱基的60%,C+G占全部碱基的40%,因为双链DNA分子中A与T互补,故应各占一半,为30%。故应选C。
[单元练习精选]
1、用甲种病毒的RNA与乙种病毒的蛋白质外壳组成一种转基因病毒丙,以病毒丙侵染宿主细胞,在宿主细胞中产生大量子代病毒,子代病毒具有的特征是
A.甲种病毒的特征B.乙种病毒的特征C.丙种病毒的特征D.子代独具的特征
[答案] A。
2、噬菌体侵染细菌的实验证明
A、DNA是遗传物质
B、蛋白质不是遗传物质
C、DNA是主要的遗传物质
D、DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质
[答案] A。
3、DNA分子的一条链中C+T/A十G=0.2,那么它的互补链中的该碱基比率为
A、0.5
B、0.2
C、2
D、5
[答案] D。
4、在同一草场,牛吃了草长成牛,羊吃了草长成羊,这是由于牛和羊的
A、染色体数目不同
B、消化能力不同
C、蛋白质结构不同
D、不同的DNA控制合成不同的蛋白质
[答案] D
5、实验室内模拟DNA复制必须的一组条件是()
①酶类②游离的脱氧核苷酸③ATP④DNA分子⑤信使RNA⑥转运RNA
⑦适宜的温度⑧适宜的酸碱度
A、①②③④⑤⑥
B、②③④⑤⑥⑦
C、①②③⑤⑦⑧
D、①②③④⑦⑧
[答案] D
6、一个转运RNA一端的三个碱基序列为GUA,它所转运的氨基酸是亮氨酸,那么决定此氨基酸的密码子是由下列哪三个碱基序列转录而来()
A、GUA
B、CAT
C、UA C
D、CAU
[答案] B
7、已知一段信使RNA有32个碱基,其中A和G共12个,那么转录该信使RNA的一段DNA分子中,应有C和T 多少个()。
A、12个
B、32个
C、20个
D、无法确定
[答案] B
8、阅读下面材料,然后分析回答:
1983年,美国科学家Ceck和Altman分别在研究原虫和植物病毒的过程中,意外地发现了特殊的小分子物质——“核酶”,这种特殊物质不仅能够与病毒基因链的特定部位以碱基互补的方式结合,而且还能在此部位上对基因进行切割,将其剪断,破坏其完整结构。
(1)酶的化学本质是_________。
(2)若某DNA分子被核酶切割部位的碱基序列为ATTCC,则该核酶的识别部位的碱基序列是_______。
(3)核酶被科学家形象地称为“分子剪刀”,它在医学上有十分广阔的应用前景,如_______。
(4)核酶的发现表明,RNA具有基因和酶的双重功能,Ceck和Altman因此获得了诺贝尔奖,试指出该发现的重大理论意义。
[答案]
(1) RNA
(2) UAA GG
(3)运用核酶从分子或基因水平上剪断病毒基因链,破坏其分了结构,抑制DNA复制,彻底根治因病毒感染引起的顽症。
(4)RNA具有的双重功能表明生命大分子物质进化顺序可能是RNA→DNA→蛋白质,这对于探索生命的起源和进化具有极其重要的意义。
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(每题10分)
1、对于中心法则,经科学家深入研究后,发现生物中还存在着逆转录现象,它是指遗传信息的传递从()。
A、蛋白质→RNA B、RNA→DNA C、DNA→RNA D、DNA→DNA
2、某基因有碱基1200个,则由它控制合成的蛋白质所具有的氨基酸数目为()
A、100个B、200个C、300个D、400个
3、在酶的合成过程中,决定酶种类的是()。
A、核苷酸B、核酸C、核糖体D、Trna
4、已知某物种的细胞中含有26个DNA分子,其中有2个DNA分子各含有24000个碱基,由这两个DNA分子所控制合成的多肽链中,最多含有氨基酸()种。
A、8000 B、4000 C、16000 D、20
5、猴、噬菌体、烟草花叶病毒中参与构成核酸的碱基种类数,依次分别是()。
A、4、4、5 B、5、4、4 C、4、5、4 D、5、4、5
6、下图所列核苷酸中,在DNA结构中不可能具有的是()
7、某生物精原细胞的染色体上有2n个基因,DNA含量为6.4C(单位)。则该生物肝细胞的染色体上含有基因数和DNA含量为()。
A、n和3.2C B、2n和6.4C C、2n和3.2C D、4n和12.8C
8、一条多肽链中有氨基酸1000个,则作为合成该多肽模板的信使RNA分子和用来转录信使RNA的DNA分子分别至少要有碱基()
A、3000个和3000个B、1000个和2000个
C、2000个和4000个D、3000个和6000个
9、由120个碱基组成的DNA分子片段,可因其碱基对组成和序列的不同而携带不同的遗传信息,其种类数最多可达()。
A、4120 B、1204 C、460 D、604
10、具有100个碱基对的1个DNA分子区段,内含40个胸腺嘧啶,如果连续复制两次,则需游离的胞嘧啶脱氧核苷酸()。
A、60个B、80个C、120个D、180个
答案和讲解
答案:
1、B
2、B
3、B
4、D
5、B
6、B
7、B
8、D
9、C 10、D
讲解:
2、有1200个碱基的基因,其每条链含碱基600个。以含600个碱基的链为模板合成的信使RNA分子含碱基也为600个,以信使RNA上三个相邻的碱基决定一个氨基酸计算,所以上述信使RNA为模板合成的蛋白质含氨基酸数为200个。
3、生物的性状是基因控制的,基因对生物性状的控制是通过DNA控制蛋白质合成来实现的。而酶是蛋白质,所以酶的合成是受DNA 控制的。所以本题答案为B。
4、组成蛋白质的氨基酸有20种,无论这个蛋白质分子含有多少个氨基酸。故本题的答案为D。解答本题时一定要认真审题,切不可将题中所问的多少种氨基酸当成多少个氨基酸来计算。
5、猴的核酸为DNA、RNA;噬菌体的核酸为DNA;烟草花叶病毒的核酸是RNA。组成DNA的碱基为A、G、C、T四种;组成RNA 的碱基为A、G、C、U四种。
6、组成DNA的脱氧核苷酸的碱基有四种:A、G、C、T。U不是组成脱氧核苷酸的碱基。
7、同一生物的精原细胞与肝细胞均来源于发育成该生物的受精卵的多次有丝分裂生成的细胞。所以上述同一生物体中的这两种细胞具有完全相同的DNA含量和基因组成。所以本题的答案是B。
8、在合成蛋白质过程中,一个氨基酸对应信使RNA分子上的一个密码子(即决定一个氨基酸的三个相邻碱基)。所以1000个氨基酸对应信使RNA上3000个碱基,而信使RNA是以DNA上一条链为模板合成的分子,故DNA转录RNA的模板链也有3000个碱基,但是DNA还有另一条与该模板链互补的非模板链,所以该DNA分子至少有6000个碱基。所以本题答案是D。
9、因为在一个由120个碱基组成的DNA分子片段中,每一个位置上的碱基对都可以有四种不同组成类型(即AT、TA、GC、CG),因此,120个碱基组成的60个碱基对的排列顺序是460,即本题答案为C。
10、根据碱基互补配对原则A=T,G=C,得出:G=(2×100-2T)=60个。则该DNA分子复制一次需要60个胞嘧啶脱氧核苷酸,并形成两个DNA分子。在此基础上,上述两个DNA分子再复制一次,每一个DNA分子各需要60个胞嘧啶脱氧核苷酸。所以题中所述的一个DNA分子经两次复制,共需60+2×60个胞嘧啶脱氧苷酸。故本题的答案为D。本题解答易产生DNA分子复制一次需60个胞嘧啶脱氧核苷酸,复制两次需要120个胞嘧啶脱氧核苷酸的错误想法。
课外拓展
1、噬菌体侵染细菌实验的几个问题
(1)噬菌体为细菌病毒,细菌是原核细胞,所以两者在结构上最大区别是有无细胞结构。两种生物体内均没有染色体,只有DNA,在两种生物的结构模式图中,表示遗传物质位置的黑线不能误看为染色体。
(2)如何说明侵染细菌时,进入细菌内的是噬菌体DNA,而非外壳。用放射性元素35S和32P分别标记噬菌体外壳蛋白质和内部的DNA,在细菌体内只能检测到32P,检测不到35S,由此证明侵染时,注入细菌的是DNA,蛋白质成分的外壳未进入细菌细胞内,也说明蛋白质分子不具备连续性。
(3)细菌细胞内噬菌体DNA复制及噬菌体蛋白质合成所需要的原料、酶、能量、场所等条件均由细菌提供,这时细菌细胞内的一切变化是为噬菌体服务,这时的代谢活动是由噬菌体DNA控制。
(4)噬菌体侵染细菌实验还说明了噬菌体特有的增殖方式,这种方式不同于无性生殖和有性生殖,称为复制式繁殖。
(5)该实验能证明遗传物质的4个理论特点中的2个:能够自我复制,使前后代保持一定的连续性;能够指导蛋白质的合成,从而控制新陈代谢过程和性状。正因如此,该实验方能证明DNA是遗传物质。但不能证明DNA是主要的遗传物质。
2、DNA的复制与转录
3、基因的概念
(1)每种生物有很多个单位性状,如人有10-20万个,而每个细胞中的DNA数量是有限的,如人的体细胞的核中有46个DNA分子,因此每个DNA分子实际上控制着多个单位性状。这样,一个DNA分子实际上分为若干个功能区段分别控制着不同的性状,每个功能区段称为一个基因,从而得出:基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位,是有遗传效应的DNA片段。
(2)DNA分子有若干基因,相邻基因之间有一段不能控制生物性状无遗传效应的基因间区,起到"连接"或"隔开"作用。
(3)基因的脱氧核苷酸的排列顺序称为遗传信息,并不是DNA上所有脱氧核苷酸的排列顺序,因间区无遗传信息。基因片段有二条单链,实际上只有一条链含有遗传信息,称为信息链,另一条链则不含这个基因的遗传信息,称为配对链。
(4)明确染色体、DNA、基因、脱氧核苷酸的关系。脱氧核苷酸是DNA的基本单位,基因是DNA的一个片段,DNA分子主要位于染色体上。因此染色体是DNA的主要载体,也是基因的主要载体,基因在染色体上呈线性排列(DNA 的一段,高度螺旋化)。在细胞分裂间期细胞中,一条染色体上含有一个DNA分子,在复制后的染色体则含有2个DNA,分别位于两个姐妹染色单体上。
4、DNA和RNA
(1)判断DNA和RNA的关键是U(尿嘧啶、RNA特有)和T(胸腺嘧啶,DNA特有);判断单链DNA或双链DNA的关键是A与T数目或G与C是否均等,RNA一般呈单链结构。
(2)RNA分为三种:信使RNA(mRNA,携带遗传密码,指控制蛋白质合成的模板);转运RNA(tRNA,多呈三叶草形,由一条链折叠围绕而成,作用是运载氨基酸,1918年,我国合成了具有76个核苷酸,且在酵母菌转运丙氨酸的RNA);核糖体RNA(rRNA,约占核糖体质量的60%,主要功能是确保结合上去的mRNA分子正确地定向)。
5、翻译过程
(1)以信使RNA为模板,以转运RNA为运转工具,在细胞质的核糖体中,按照碱基互补配对原则(转运RNA与信使RNA按A-U、G-C配对,将氨基酸放在正确位置上),通过缩合脱水反应,将氨基酸通过肽键(-CO-NH-)连接起来,形成多肽(蛋白质)的过程。
(2)一般认为3个碱基决定一个氨基酸,相对应一个氨基酸的三个连续的核苷酸组成三联体密码子。教材中列出了64个密码子,其中61个为决定氨基酸的有意密码子,还有3个是不编码任何氨基酸的无意义密码子,肽链合成到此停止,所以也叫终止密码子。
(3)在生物界,从病毒到人类,密码子基本上是通用的,证明了生物彼此间的亲缘关系。
(4)由于密码子种类多于20种氨基酸种类,所以每种氨基酸可有一个或几个密码子,同时也对应着一个或几个转运RNA。
6、正确区分遗传信息和"密码子"
遗传信息是指子代从亲代所获得的控制遗传性状的信号,这种信号以染色体上DNA的脱氧核苷酸的顺序代表。基因中控制遗传性状的脱氧核苷酸顺序代表遗传信息。遗传"密码子"是指信使RNA中决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,它决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。遗传信息与遗传"密码子"的区别:一是存在的位置不同,遗传信息是基因的脱氧核苷酸排列顺序,密码子是信使RNA上核苷酸的排列顺序;二是作用不同,遗传信息决定氨基酸的顺序,仅是间接作用,而密码子则是直接控制蛋白质中氨基酸的排列顺序。
7、弄清基因(DNA)的碱基、信使RNA的碱基、蛋白质中的氨基酸的数量关系
在蛋白质的合成过程中,是以DNA(基因)中的两链中的一条链为模板合成一条信使RNA单链的,因此,DNA中的碱基数是RNA碱基数目的两倍。在翻译时,信使RNA每三个碱基决定一种氨基酸。其数目彼此间的关系一般可表示为:DNA(基因)的碱基数:信使RNA碱基数:氨基酸数=6n:3n:n。
因基因中存有启动片段,mRNA中存在终止密码子片段等,实际上基因(DNA)上含氮碱基数目(或脱氧核苷酸数)要大于6n,或氨基酸数目小于n。因此一般命题中有"至少"或"最多"字样。
高考真题
1、(1999年上海高考试题)含有32P和31P的磷酸,两者化学性质几乎相同,都可参与DNA分子的组成,但32P 比31P质量大。现将某哺乳动物的细胞放在含有31P磷酸的培养基中,连续培养数代后得到G0代细胞。然后将G0代细胞移至含有32P磷酸的培养基中培养,经过第1、2次细胞分裂后,分别得到G1、G2代细胞。再从G0、G1、G2代细胞中提取出DNA,经密度梯度离心后得到结果如下图。由于DNA分子质量不同,因此在离心管内的分布不同,若①②③分别表示轻、中、重三种DNA分子的位置,请回答:
(1)G0、G1、G2三代DNA离心后的试管分别是图中的:G0__________,G1_________,G2_________;
(2)G2代在①②③三条带中DNA数的比例是________;
(3)图中①②两条带中DNA分子所含的同位素磷分别是:条带①________,条带②_______;
(4)上述实验结果证明DNA复制方式是__________。DNA的自我复制能使生物的_________保持相对稳定。
解析:根据DNA复制是半保留复制的原理得知,G0代细胞所含的每个DNA分子的两条链均含有31P元素,所以G0代细胞的DNA分子质量最轻,离心后应在离心管上方。G1代细胞是经G0代细胞一次分裂后得到的,其DNA是以G0代细胞的DNA为模板,以含32P的脱氧核苷酸为原料合成的,所以其一条链(模板母链)含31P,另一条链(新合成子链)含32P。所以G1代细胞的DNA质量居中,应位于离心管中间位置。G2代细胞的DNA是G1代细胞DNA复制一次后得到的,其中以G1代含31P的链为模板形成的子DNA质量与G1代细胞的DNA质量相同,离心后位于离心管中间位置。以G1代细胞的DNA含32P的链为模板形成的G2代细胞的DNA两条链都含32P,质量最大,离心后位于离心管的最下面位置。从以上分析可以得出本题的答案是:(1)A,B,D;(2)0:1:1(3)31P,31P、32P;(4)半保留复制,遗传特性。
2、(1998年上海高考试题)图6-11为人体内蛋白质合成的一个过程。据图分析并回答问题:
(1)图中所合成多肽链的原料来自________和_________;
(2)图中所示属于基因控制蛋白质合成过程中的_________步骤,该步骤发生在细胞的________部分;
(3)图中(I)是________,按从左到右顺序写出(II)_________内mRNA区段所对应的DNA碱基的排列顺序是________;
(4)该过程不可能发生在()。
A、神经细胞B、肝细胞C、成熟的红细胞D、脂肪细胞
解析:本题涉及到高中《生物》动物新陈代谢中有关物质代谢内容、转录过程的内容、初中生物的生理知识。解答本题关键是要把学过的知识联系起来,综合分析有关问题。本题考查的内容也提示我们,学习中要不断地把学过的知识加以总结,进行横向的与纵向的比较与归纳,形成完善的知识体系。该图考察了基因控制蛋白质的合成过程,人体蛋白质的来源主要是食物和转氨基作用合成的新的氨基酸,蛋白质合成发生在细胞质的核糖体中,翻译的过程是以mRNA为模板,转运RNA一端靠碱基互补配对原则与mRNA配对,另一端携带氨基酸,根据mRNA的碱基序列决定氨基酸的序列,
完成翻译的过程。翻译过程是以发生在细胞核中的转录过程为前提的,所以没有细胞核的细胞是不能进行此过程的,而成熟的红细胞没有细胞核,所以本题的答案为:(1)食物,人体自身的合成;(2)翻译,细胞质(答核糖体也对);(3)tRNA(或转运RNA),核糖体,TGATTCGAA;(4)C。
第一节遗传的物质基础
第一节遗传的物质基础 一、细胞核是遗传的控制中心 (一)遗传现象 1.(2019·龙东、鸡西)下列属于遗传现象的是() A.柿树上的果实有大有小B.种瓜得瓜,种豆得豆 C.豌豆植株有高有矮D.菊花有白色和黄色 (二)细胞核是遗传的控制中心 2.(2019·辽宁辽阳)控制生物性状的遗传信息主要储存在() A.细胞壁B.细胞膜C.细胞质D.细胞核 3.(2019·湖南湘西)“种瓜得瓜,种豆得豆”这一生物现象,主要取决于细胞结构中的()A.细胞壁B.细胞质C.细胞核D.叶绿体 4.(2019·德州)2018年10月17日河南商丘一工厂发生火灾,现场作业的11名工作人员经抢救无效,不幸死亡,事后认领遇难者尸体过程中,用到了DNA鉴定。DNA主要存在于细胞的哪一结构中?() A.细胞壁 B.细胞膜 C.细胞质 D.细胞核 5.(2019·四川广安)变形虫是一种单细胞生物,若将一个变形虫切割成甲、乙两部分(如图),能继续发育并繁殖后代的是() A.乙 B.甲 C.甲和乙 D.甲和乙均不能 6.(2019·浙江湖州)伞藻是海生的单细胞藻类植物,细胞长2~5厘米,有细胞壁、叶绿体、细胞核等结构,可分为“帽”“柄”和“足”三部分,如图所示。下列叙述中,错误的是() A.伞藻能长到2~5厘米,离不开细胞壁的支持作用 B.伞藻的叶绿体是制造有机物的场所 C.伞藻的细胞核内含有遗传物质 D.伞藻的“帽”“柄”和“足”是细胞分化的结果 7.(2019·湖南岳阳)图一为桃树枝条嫁接,图二为单细胞植物嫁接。A、B是同种植物的两个品种,
其结构都包括伞帽、伞柄、假根三部分,细胞核位于假根内。A、B形态上的区别在于伞帽不同,去掉伞帽都能再生。C为A、B嫁接示意图。请分析回答: (1)图一嫁接时,确保成活的关键是接穗与砧木的紧密结合。成活后,新长出的枝条与(填“接穗”或“砧木”)性状一致。 (2)图二中的C若嫁接成功,将第一次长出的伞帽剪去后再生出的伞帽与(填“A”或“B”)一致,原因是。 (3)图二所示生物在分类上最可能属于。 A.蘑菇 B.藻类 C.苔藓 D.蕨类 二、DNA 是主要的遗传物质 (一)染色体的特点 1.(2019·辽宁辽阳)染色体是存在于真核细胞细胞核中的重要结构,组成染色体的主要物质是()A.糖类和蛋白质 B.脂肪和DNA C.蛋白质和DNA D.脂肪和蛋白质 2.(2019·甘肃天水)牛的体细胞内含有30对染色体,那么牛的卵细胞和受精卵中分别含有染色体的数目是() A.30对、30对B.30对、30条C.30条、30条D.30条、30对3.(2019·四川南允)在一位健康女性的体内,一个成熟的红细胞、一个白细胞、一个肌肉细胞和一个卵细胞中,共含有几条性染色体() A.5条B.6条C.7条D.8条 (二)染色体、DNA、基因的关系 4.(2019·内蒙古通辽)如图为染色体与DNA的关系示意图,下列有关叙述不正确的是() A.①和②都含有特定的遗传信息 B.具有遗传效应的①的片段叫基因 C.在细胞分裂中③的变化最明显 D.一般情况下,在生物的体细胞中,③是成对存在的5.(2019·东营)如图为染色体、DNA、基因之间的关系示意图。下列有关叙述,错误的是()
《遗传的物质基础》教学设计遗传的物质基础教学设计
《遗传的物质基础》教学设计遗传的物质基础教学设计“一切为了每一位学生的发展”是新课程的最高宗旨和核心理念。这就要求我们教师改变以前的教学思想和方法,对于每一堂课都要精心设计,真正让学生成为学习的主人。下面是我对《遗传的物质基础》这节课的教学设计。 一、教材分析 (一)教学分析 生物的遗传和变异是生物界普遍存在的现象,遗传使得物种稳定,世代相传;变异使得生物界绚丽多姿,丰富多彩。随着科学的发展,人们对遗传和变异的认识已经逐渐深入到基因水平。本节是学习遗传和变异的基础。共有两部分内容:“细胞核是遗传的控制中心”和“DNA是主要的遗传物质”。由于学生对本节内容比较生疏,因此,教师可以课前引导学生搜寻与本节内容相关的知识,为本节的学习做好铺垫。
(二)教学目标 1.知识目标: (1)识记遗传、染色体、基因等概念。 (2)理解细胞核是遗传的控制中心;DNA是主要的遗传物质。 (3)尝试描述染色体、DNA和基因之间的关系。 2.能力目标: 通过对伞藻嫁接实验的分析讨论,能归纳出细胞核是遗传的控制中心,提高学生分析问题、解决问题的能力。 3.通过本节教学,渗透基因组计划的研究知识,激发学生学习生物学的兴趣,培养爱国主义情感。
(三)教学重点 细胞核是遗传的控制中心;DNA是主要的遗传物质。 (四)教学难点 描述细胞核、染色体、DNA和基因之间的关系。 二、教学准备 1.学生准备:搜寻与本节内容有关的生物学资料,留心观察身边的遗传和变异现象。 2.教师准备:制作多媒体课件
三、教学过程 (一)创设问题情景 教师提出问题:我们每个人都能找出与父母相似的地方,请同学们认真思考后写下来。(学生进入角色,集中精力思考。)然后教师让学生积极发言,调动起学生的积极性。教师趁机引导:与父母相似的现象叫遗传,与父母不相似的现象叫变异。遗传和变异是一种普遍存在的生物现象,遗传与其他生命活动一样,也有其物质基础,本节课我们将共同探讨。(大屏幕出示课题第一节《遗传的物质基础》) (二)细胞核是遗传的控制中心 1.提出问题
第四章 第一节 遗传的物质基础(枳沟初中 李普光)
第四章生物的遗传和变异第一节遗传的物质基础 备课人:枳沟初中李普光 一、诊断性测试 1、动物细胞的基本结构都有、和。 2、细胞核内含有。 3、嫁接成活后,表现(接穗或砧木)的特征。 二、新课导入: “龙生龙,凤生凤,老鼠的孩子生来会打洞”,“一母生九子,连母十个样”。这是我们生活中常见的遗传和变异现象,是生物界普遍存在的,这节课我们就来学习遗传和变异最基础的内容——《遗传的物质基础》。 【学习目标】 1、知道细胞核是遗传的控制中心;DNA是主要的遗传物质。 *2.明确并描述细胞核、染色体、DNA、基因四者的关系。 3、通过分析“伞藻嫁接实验”的过程,印证遗传物质主要存在于细胞核中。 【学习过程】 三、自主学习(阅读课本P73~74“细胞核是遗传的控制中心”,并能独立完成下面的问题)(一)遗传的定义: (二)细胞核是遗传的控制中心 观察与思考:阅读课文并观察分析伞藻嫁接实验过程,解决问题。 1.伞帽的形状是由伞藻细胞的哪部分决定的?(细胞膜、细胞质还是细胞核) 2.该实验可以得到的启示是: (三)DNA是主要的遗传物质(阅读P74~76课文和图片,解决问题) 1.细胞中被碱性染料染色最深的结构是。 2.不同生物体细胞(是指精子、卵细胞以外的细胞)中的染色体数目是的,同种生物 的体细胞中都含有数目而且相似的染色体,生物体细胞中的染色体是成对存在的。 阅读75页课文和图片,解决问题: 1.染色体的化学成分主要包括和(脱氧核糖核酸的简称),科学家通过实验证明是生物的主要遗传物质。 2.一个DNA分子有条链。 3.美国科学家沃森和克里克在1953年4月就揭开了DNA的奥秘,使遗传学的研究进入到分子水平,并获得诺贝尔奖。这是因为他们建立了模型。 4.什么叫基因?基因是DNA的一部分,DNA分子的结构是双链的。 5.生物表现出的不同特征是由不同的控制的。 6.每条染色体上包含个DNA分子,每个DNA分子包含个基因。 7.每一种生物的体细胞内染色体的数目是________,一般还________存在。 四、小组交流 1、以小组为单位针对上面几个问题交流自主学习的情况。 2、小组内不能解决的问题或存在不同意见的问题,班内交流。 五、合作探究: 1.观察图4.4-4,用简洁的语言或图解描述生物体、染色体、DNA、细胞、细胞核、基因之间的位置关系。 2.“龙生龙,凤生凤”,“种瓜得瓜,种豆得豆”,这说明生物的后代与亲代之间具有相对稳定的遗传信息,这些遗传信息为什么具有相对稳定性? 六、疑难点拨: 还有问题的同学可以提出来,我们一起来解决。 七、盘点收获,巩固提升 本节课你的收获有哪些?请把你的主要收获写下来吧! 生物的遗传物质主要存在于细胞的()中, 是遗传控制遗现象的遗传信息就存在这些遗传物质中, 因此,()是遗传的控制中心。 1 是主要染色体:是指细胞内易被()染成深色的物质。 基因:是指具有遗传效应的最小的DNA片段,基因控制 生物的。 DNA分子是由条链盘旋成的结构。 、基因之间的包含关系示意图: 八、达标检测 1.下列哪一种细胞里的染色体不成对存在() A.卵细胞 B.受精卵 C.白细胞 D.上皮细胞 2.一只雌猫一次产了三只小猫,这三只小猫在毛色上不完全相同,则说明物体具有() A.遗传性 B.变异性 C.进化性 D.适应性 3.人的身体是由一个受精卵分裂发育而来的。成年人体内的细胞数达到了1014个。在从1个到1014个的过程中,体细胞内的染色体数目() A、逐渐增加 B、逐渐减少 C、始终是23条 D、始终是23对 4.生物的性状传给后代的现象叫________。遗传信息的中心是________,生物的遗传主要是与________中储存的遗传信息有关。 5.染色体主要是由________和________组成的。________是主要的遗传物质。
遗传算法的基本原理
第二章 遗传算法的基本原理 2.1 遗传算法的基本描述 2.1.1 全局优化问题 全局优化问题的定义:给定非空集合S 作为搜索空间,f :S —>R 为目标函数,全局优化问题作为任务)(max x f S x ∈给出,即在搜索空间中找到至少一个使目标函数最大化的点。 全局最大值(点)的定义:函数值+∞<=)(**x f f 称为一个全局最大值,当且仅当x ? S x ∈,(ρi i b a <,i 12)定义适应度函数f(X); 3)确定遗传策略,包括群体规模,选择、交叉、变异算子及其概率。 4)生成初始种群P ; 5)计算群体中各个体的适应度值; 6)按照遗传策略,将遗传算子作用于种群,产生下一代种群; 7)迭代终止判定。 遗传算法涉及六大要素:参数编码,初始群体的设定,适应度函数的设计,遗传操作的设计,控制参数的设定,迭代终止条件。
2.1.3 遗传编码 由于GA 计算过程的鲁棒性,它对编码的要求并不苛刻。原则上任何形式的编码都可以,只要存在合适的对其进行操作的遗传算子,使得它满足模式定理和积木块假设。 由于编码形式决定了交叉算子的操作方式,编码问题往往称作编码-交叉问题。 对于给定的优化问题,由GA 个体的表现型集合做组成的空间称为问题(参数)空间,由GA 基因型个体所组成的空间称为GA 编码空间。遗传算子在GA 编码空间中对位串个体进行操作。 定义:由问题空间向GA 编码空间的映射称为编码,而有编码空间向问题空间的映射成为译码。 1)2)3)它们对1) 2) k =1,2,…,K; l =1,2,…,L; K=2L 其中,个体的向量表示为),,,(21kL k k k a a a a =,其字符串形式为kL k k k a a a s 21=,s k 称为个体a k 对应的位串。表示精度为)12/()(--=?L u v x 。 将个体又位串空间转换到问题空间的译码函数],[}1,0{:v u L →Γ的公式定义为: 对于n 维连续函数),,2,1](,[),,,,(),(21n i v u x x x x x x f i i i n =∈=,各维变量的二进制
谈谈遗传算法的原理
谈谈遗传算法的原理 发表时间:2011-08-24T09:52:45.450Z 来源:《魅力中国》2011年7月上供稿作者:朱小宝 [导读] 从上表中可以看出,群体经过一代进化之后,其适应度的最大值、平均值都得到了明显的改进。 朱小宝 (南昌航空大学飞行器工程学院江西南昌 330029) 中图分类号:TP301.6 文献标识码:A 文章编号:1673-0992(2011)07-0000-01摘要:自从霍兰德于1975年在他的著作《Adaption im Natural and artificial Systems》中首次提出遗传算法以来,经过了近30年的研究,现在已经发展到了一个比较成熟的阶段,并且在实际中得到了很好的应用。为了更好的了解遗传算法,本文通过最简单的一个手工计算实例来还原遗传算法的全过程。 关键词:遗传算法生物进化染色体种群 自然界的生物进化是按“适者生存,优胜劣汰”规律进行的,而遗传算法就是模拟达尔文的自然选择学说和自然界的生物进化过程的一种计算模型。其基本思想是力求充分模仿这一自然寻优过程的随机性、鲁棒性和全局性,这是一种全局优化搜索算法,因为其直接对结构对象进行操作,不存在求导和函数连续性的限定。 遗传算法采用简单的编码技术来表示各种复杂的结构,并通过对一组编码表示进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择来指导学习和确定搜索的方向。遗传算法的操作对象是一群二进制串(称为染色体),即种群。这里每一个染色体都对应问题的一个解。从初始种群出发,采用基于适应值比例的选择策略在当前种群中选择个体,使用杂交和变异来产生下一代种群。如此模仿生命的进化一代代演化下去,直到满足期望的终止条件为止。 遗传算法主要步骤: (1)编码:由于遗传算法不能直接处理解空间的数据,必须通过编码将它们表示成遗传空间的基因型串结构数据。 (2)选择初始种群:随机产生N个初始串结构数据,每个串结构数据称为一个个体,也称为染色体,N个个体体构成了一个种群。 (3)选择适应度函数:遗传算法在搜索过程中一般不需要其他外部信息或知识,仅用适应度函数来评价个体的适应度。 (4)选择:利用选择概率再随机的选择个体和复制数量。选择算子的设计可依据达尔文适者生存的进化论原则,选择概率大的被选中的机会较多。 (5)杂交:对被选中的个体进行随机配对并随机的选择基因交换位,交换基因后产生新的个体,全体新个体构成新的(下一代)种群。 (6)变异:变异操作是按位进行求反,对二二进制编码的个体而言,就是对随机选中的某位进行求反运算,即“0”变“1”,“1”变大“0”。 (7)一代种群通过遗传,即选择、杂交和变异产生下一代种群。新种群又可重复上述的选择、杂交和变异的遗传过程。 为更好地理解遗传算法的运算过程,下面用手工计算来简单地模拟遗传算法的各个主要执行步骤。 求下述二元函数的最大值: Max f(x1,x2)= x12+ x22 S,t, x1∈{1,2,3,4,5,6,7} x2∈{1,2,3,4,5,6,7} (1) 个体编码 遗传算法的运算对象是表示个体的符号串,所以必须把变量 x1, x2 编码为一种符号串。本题中,用无符号二进制整数来表示。因 x1, x2 为 0 ~ 7之间的整数,所以分别用3位无符号二进制整数来表示,将它们连接在一起所组成的6位无符号二进制数就形成了个体的基因型,表示一个可行解。例如,基因型 X=101110 所对应的表现型是:x=[5,6]。个体的表现型x和基因型X之间可通过编码和解码程序相互转换。 (2) 初始群体的产生 群体规模的大小取为4,即群体由4个个体组成,每个个体可通过随机方法产生。 如:011101,101011,011100,111001 (3) 适应度汁算 目标函数总取非负值,并且是以求函数最大值为优化目标,故可直接用目标函数值作为个体的适应度。 (4) 选择运算 我们采用与适应度成正比的概率来确定各个个体复制到下一代群体中的数量。其具体操作过程是: 1.先计算出群体中所有个体的适应度的总和 fi ( i=1.2,…,M ); 2.fi其次计算出每个个体的相对适应度的大小 fi / ,它即为每个个体被遗传到下一代群体中的概率, 3.每个概率值组成一个区域,全部概率值之和为1; 4.最后再产生一个0到1之间的随机数,依据该随机数出现在上述哪一个概率区域内来确定各个个体被选中的次数。
知识清单遗传的物质基础
知识清单遗传的物质基础-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第一节、遗传的物质基础知识点 一、DNA是主要的遗传物质 1、染色体主要由和组成。其中是一切生命活动的体现者。是生命活动的控制者。 2、实验的共同思路是: 3、DNA是遗传物质的直接证据 (1)、肺炎状球菌转化实验 A、关于肺炎双球菌的知识点: ①类型:S型细菌:菌落,菌体夹膜,毒性 R型细菌:菌落,菌体夹膜,毒性 ②肺炎双球菌属于生物,其结构特点包括:; ;。 B、①格里菲斯实验结论: ②艾弗里实验结论: (2)、噬菌体侵染细菌试验 方法:。 A、噬菌体是一种专门在细菌体内的病毒,仅由和组成。 B、实验过程:用同位素35S和32P分别标记噬菌体的和。 标记过程:首先在分别含有放射性同位素和 放射性同位素的培养基中培养,再用上 述大肠杆菌培养,得到 。 (注意:不能用培养基直接培养病毒。) 实验过程中噬菌体的没有进入细菌体内,噬菌体的进入了细菌体内。噬菌体在细菌体内利用的原料,合成。 C、结论:。噬菌体侵染细菌试验没有证明蛋白质不是遗传物质。 3、生物的遗传物质 细胞生物(真核、原核)非细胞生物(病毒) 核酸DNA RNA 遗传物质 所以是主要的遗传物质。
记忆点:①病毒的遗传物质为DNA或RNA。②具有细胞结构的生物遗传物质为DNA。 ③生物的遗传物质为DNA或RNA,只要含有DNA则DNA即为遗传物质,无DNA 仅有RNA时,RNA作为遗传物质。 第一节、遗传的物质基础知识点 一、DNA是主要的遗传物质 1、染色体主要由 DNA 和蛋白质组成。其中蛋白质是一切生命活动的体现者。是生命活动的控制者。 2、实验的共同思路是:设法把DNA与蛋白质分开,单独直接地观察DNA的作用。 3、DNA是遗传物质的直接证据 (1)、肺炎状球菌转化实验 A、关于肺炎双球菌的知识点: ①类型:S型细菌:菌落光滑,菌体有夹膜,有毒性 R型细菌:菌落粗糙,菌体无夹膜,无毒性 ②肺炎双球菌属于原核生物,其结构特点包括:有核膜包被的细胞核;只有核糖体一种细胞器; DNA不与蛋白质结合构成染色体。 B、①格里菲斯实验结论:加热杀死的S型菌中含有促进转化的转化因子 ②艾弗里实验结论: DNA是遗传物质 (2)、噬菌体侵染细菌试验 (3)方法:同位素标记法 A、噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒,仅由 DNA 和蛋白质 组成。 B、实验过程:用同位素35S和32P分别标记噬菌体的蛋白质和 DNA 。 标记过程:首先在分别含有放射性同位素35S 和 放射性同位素32P 的培养基中培养大肠杆 菌,再用上述大肠杆菌培养 T2噬菌体,得到 DNA含有32P或蛋白质含有35S标记的噬菌体。(注意:不能用培养基直接培养病毒。) 实验过程中噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌体内,噬菌体的 DNA 进入了细菌体内。噬菌体在细菌体内利用大肠杆菌的原料,合成 DNA和蛋白质。 C、结论: DNA才是真正的遗传物质。噬菌体侵染细菌试验没有证明蛋 白质不是遗传物质。 3、生物的遗传物质
遗传算法的基本原理
遗传算法的基本原理 LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】
第二章 遗传算法的基本原理 遗传算法的基本描述 2.1.1 全局优化问题 全局优化问题的定义:给定非空集合S 作为搜索空间,f :S —>R 为目标函数,全局优化问题作为任务)(max x f S x ∈给出,即在搜索空间中找到至少一个使目标函数最大化的点。 全局最大值(点)的定义:函数值+∞<=)(**x f f 称为一个全局最大值,当且仅当)()(*x f x f S x ≤?∈?成立时,S x ∈*被称为一个全局最大值点(全局最大解)。 局部极大值与局部极大值点(解)的定义: 假设在S 上给定了某个距离度量ρ,如果对S x ∈',0>?ε,使得对S x ∈?, )()(),(''x f x f x x ≤?<ερ,则称x ’为一个局部极大值点,f (x ’)为一个局部极大值。当目标函数有多个局部极大点时,被称为多峰或多模态函数(multi-modality function )。 主要考虑两类搜索空间: 伪布尔优化问题:当S 为离散空间B L ={0,1}L ,即所有长度为L 且取值为0或1的二进制位串的集合时,相应的优化问题在进化计算领域称为伪布尔优化问题。 连续参数优化问题:当取S 伪n 维实数空间R n 中的有界集合],[1i i n i b a S =∏=,其中i i b a <,i = 1, 2, … , n 时,相应的具有连续变量的优化问题称为连续参数优化问题。 对S 为B L ={0,1}L ,常采用的度量时海明距离,当],[1i i n i b a S =∏=时,常采用的度量就是欧氏距离。 2.1.2 遗传算法的基本流程 遗传算法的基本步骤如下: 1)选择编码策略,把参数集合X 和域转换为位串结构空间S ; 2)定义适应度函数f(X); 3)确定遗传策略,包括群体规模,选择、交叉、变异算子及其概率。 4)生成初始种群P ; 5)计算群体中各个体的适应度值; 6)按照遗传策略,将遗传算子作用于种群,产生下一代种群; 7)迭代终止判定。 遗传算法涉及六大要素:参数编码,初始群体的设定,适应度函数的设计,遗传操作的设计,控制参数的设定,迭代终止条件。 2.1.3 遗传编码 由于GA 计算过程的鲁棒性,它对编码的要求并不苛刻。原则上任何形式的编码都可以,只要存在合适的对其进行操作的遗传算子,使得它满足模式定理和积木块假设。 由于编码形式决定了交叉算子的操作方式,编码问题往往称作编码-交叉问题。 对于给定的优化问题,由GA 个体的表现型集合做组成的空间称为问题(参数)空间,由GA 基因型个体所组成的空间称为GA 编码空间。遗传算子在GA 编码空间中对位串个体进行操作。
遗传算法的原理及MATLAB程序实现
1 遗传算法的原理 1.1 遗传算法的基本思想 遗传算法(genetic algorithms,GA)是一种基于自然选择和基因遗传学原理,借鉴了生物进化优胜劣汰的自然选择机理和生物界繁衍进化的基因重组、突变的遗传机制的全局自适应概率搜索算法。 遗传算法是从一组随机产生的初始解(种群)开始,这个种群由经过基因编码的一定数量的个体组成,每个个体实际上是染色体带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体,其内部表现(即基因型)是某种基因组合,它决定了个体的外部表现。因此,从一开始就需要实现从表现型到基因型的映射,即编码工作。初始种群产生后,按照优胜劣汰的原理,逐代演化产生出越来越好的近似解。在每一代,根据问题域中个体的适应度大小选择个体,并借助于自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异,产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样,后代种群比前代更加适应环境,末代种群中的最优个体经过解码,可以作为问题近似最优解。 计算开始时,将实际问题的变量进行编码形成染色体,随机产生一定数目的个体,即种群,并计算每个个体的适应度值,然后通过终止条件判断该初始解是否是最优解,若是则停止计算输出结果,若不是则通过遗传算子操作产生新的一代种群,回到计算群体中每个个体的适应度值的部分,然后转到终止条件判断。这一过程循环执行,直到满足优化准则,最终产生问题的最优解。图1-1给出了遗传算法的基本过程。 1.2 遗传算法的特点 1.2.1 遗传算法的优点 遗传算法具有十分强的鲁棒性,比起传统优化方法,遗传算法有如下优点: 1. 遗传算法以控制变量的编码作为运算对象。传统的优化算法往往直接利用控制变量的实际值的本身来进行优化运算,但遗传算法不是直接以控制变量的值,而是以控制变量的特定形式的编码为运算对象。这种对控制变量的编码处理方式,可以模仿自然界中生物的遗传和进化等机理,也使得我们可以方便地处理各种变量和应用遗传操作算子。 2. 遗传算法具有内在的本质并行性。它的并行性表现在两个方面,一是遗传
遗传算法基本原理111
第二章遗传算法的基本原理 2.1 遗传算法的基本描述 2.1.1 全局优化问题 全局优化问题的定义:给定非空集合S作为搜索空间,f:S—>R为目标函数,全局优化问题作为任务给出,即在搜索空间中找到至少一个使目标函数最大化的点。 全局最大值(点)的定义:函数值称为一个全局最大值,当且仅当成立时,被称为一个全局最大值点(全局最 大解)。 局部极大值与局部极大值点(解)的定义: 假设在S上给定了某个距离度量,如果对,,使得对, ,则称x’为一个局部极大值点,f(x’)为一个局部极大 值。当目标函数有多个局部极大点时,被称为多峰或多模态函数(multi-modality function)。 主要考虑两类搜索空间: 伪布尔优化问题:当S为离散空间B L={0,1}L,即所有长度为L且取值为0或1的二进制位串的集合时,相应的优化问题在进化计算领域称为伪布尔优化问题。 连续参数优化问题:当取S伪n维实数空间R n中的有界集合,其中,i = 1, 2, … , n时,相应的具有连续变量的优化问题称为连续参数优化问题。 对S为B L={0,1}L,常采用的度量时海明距离,当时,常采用的度量就是欧氏距离。 2.1.2 遗传算法的基本流程
遗传算法的基本步骤如下: 1)选择编码策略,把参数集合X和域转换为位串结构空间S; 2)定义适应度函数f(X); 3)确定遗传策略,包括群体规模,选择、交叉、变异算子及其概率。 4)生成初始种群P; 5)计算群体中各个体的适应度值; 6)按照遗传策略,将遗传算子作用于种群,产生下一代种群; 7)迭代终止判定。 遗传算法涉及六大要素:参数编码,初始群体的设定,适应度函数的设计,遗传操作的设计,控制参数的设定,迭代终止条件。 2.1.3 遗传编码 由于GA计算过程的鲁棒性,它对编码的要求并不苛刻。原则上任何形式的编码都可以,只要存在合适的对其进行操作的遗传算子,使得它满足模式定理和积木块假设。 由于编码形式决定了交叉算子的操作方式,编码问题往往称作编码-交叉问题。 对于给定的优化问题,由GA个体的表现型集合做组成的空间称为问题(参数)空间,由GA基因型个体所组成的空间称为GA编码空间。遗传算子在GA
遗传算法的特点及其应用
遗传算法的特点及其应用 上海复旦大学附属中学张宁 目录 【关键词】 【摘要】 【正文】 §1遗传算法的基本概念 §2简单的遗传算法 1.选择 2.交换 3.变异 §3简单的遗传算法运算示例 1.计算机公司的经营策略优化问题 2.函数优化问题 §4遗传算法应用举例 1.子集和问题 2.TSP(旅行商)问题 §5结束语 【附录】 1.子集和问题源程序 2.TSP(旅行商)问题源程序 【参考文献】
【关键词】 遗传算法遗传变异染色体基因群体 【摘要】 遗传算法是基于达尔文进化论,在计算机上模拟生命进化机制而发展起来的一门新学科。它根据适者生存,优胜劣汰等自然进化规则来进行搜索计算和问题求解。 文章的第一部分介绍了遗传算法的基本概念。第二部分介绍了遗传算法的原理以及三种运算:选择、交换、变异。第三部分着重介绍三种运算的具体实现,以及简单实例,主要体现遗传算法的实现过程。第四部分介绍了两个具体问题,都是属于NP-完全问题,如何用遗传算法来解决,以及实现时的一些基本问题。 文章在介绍遗传算法的原理以及各种运算的同时,还分析了一些应用中出现的基本问题,对于我们的解题实践有一定的指导意义。 【正文】 遗传算法作为一门新兴学科,在信息学竞赛中还未普及,但由于遗传算法对许多用传统数学难以解决或明显失效的复杂问题,特别是优化问题,提供了一个行之有效的新途径,且能够较好地解决信息学竞赛中的NP难题,因此值得我们进行深入的讨论。 要掌握遗传算法的应用技巧,就要了解它的各方面的特点。首先,让我们来了解一下什么是遗传算法。 §1遗传算法的基本概念 遗传算法(Genetic Algorithms,简称GA)是人工智能的重要新分支,是基于达尔文进化论,在计算机上模拟生命进化机制而发展起来的一门新学科。它
遗传算法的基本原理
遗传算法的基本原理 遗传算法类似于自然进化,通过作用于染色体上的基因寻找好的染色体来求解问题。与自然界相似,遗传算法对求解问题的本身一无所知,它所需要的仅是对算法所产生的每个染色体进行评价,并基于适应值来选择染色体,使适应性好的染色体有更多的繁殖机会。在遗传算法中,通过随机方式产生若干个所求解问题的数字编码,即染色体,形成初始群体;通过适应度函数给每个个体一个数值评价,淘汰低适应度的个体,选择高适应度的个体参加遗传操作,经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种群。对这个新种群进行下一轮进化。这就是遗传算法的基本原理。 下面就是遗传算法思想: (1) 初始化群体; (2) 计算群体上每个个体的适应度值; (3) 按由个体适应度值所决定的某个规则选择将进入下一代的个体; (4) 按概率PX进行交叉操作; (5) 按概率PM进行突变操作; (6) 没有满足某种停止条件,则转第(2)步,否则进入(7)。 (7) 输出种群中适应度值最优的染色体作为问题的满意解或最优解。 程序的停止条件最简单的有如下二种:完成了预先给定的进化代数则停止;种群中的最优个体在连续若干代没有改进或平均适应度在连续若干代基本没有改进时停止。 根据遗传算法思想可以画出如右图所示的简单遗传算法框图: 图 3.22 简单遗传算法框图 遗传算法的选择算子 选择即从当前群体中选择适应值高的个体以生成交配池的过程. 遗传算法中最常用的选择方式是轮盘赌(Roulette Wheel)选择方式, 也称比例选择或复制. 在该方法中, 各个个体被选择的概率和其适应度值成比例. 设群体规模大小为N, 个体i 的适应度值为Fi , 则这个个体
(完整版)遗传算法的基本原理
遗传算法的基本原理和方法 一、编码 编码:把一个问题的可行解从其解空间转换到遗传算法的搜索空间的转换方法。 解码(译码):遗传算法解空间向问题空间的转换。 二进制编码的缺点是汉明悬崖(Hamming Cliff),就是在某些相邻整数的二进制代码之间有很大的汉明距离,使得遗传算法的交叉和突变都难以跨越。 格雷码(Gray Code):在相邻整数之间汉明距离都为1。 (较好)有意义的积木块编码规则:所定编码应当易于生成与所求问题相关的短距和低阶的积木块;最小字符集编码规则,所定编码应采用最小字符集以使问题得到自然的表示或描述。 二进制编码比十进制编码搜索能力强,但不能保持群体稳定性。 动态参数编码(Dynamic Paremeter Coding):为了得到很高的精度,让遗传算法从很粗糙的精度开始收敛,当遗传算法找到一个区域后,就将搜索现在在这个区域,重新编码,重新启动,重复这一过程,直到达到要求的精度为止。 编码方法:
1、二进制编码方法 缺点:存在着连续函数离散化时的映射误差。不能直接反映出所求问题的本身结构特征,不便于开发针对问题的专门知识的遗传运算算子,很难满足积木块编码原则 2、格雷码编码:连续的两个整数所对应的编码之间仅仅只有一个码位是不同的,其余码位都相同。 3、浮点数编码方法:个体的每个基因值用某一范围内的某个浮点数来表示,个体的编码长度等于其决策变量的位数。 4、各参数级联编码:对含有多个变量的个体进行编码的方法。通常将各个参数分别以某种编码方法进行编码,然后再将他们的编码按照一定顺序连接在一起就组成了表示全部参数的个体编码。 5、多参数交叉编码:将各个参数中起主要作用的码位集中在一起,这样它们就不易于被遗传算子破坏掉。评估编码的三个规范:完备性、健全性、非冗余性。 二、选择 遗传算法中的选择操作就是用来确定如何从父代群体中按某种方法选取那些个体遗传到下一代群体中的一种遗传运算,用来确定重组或交叉个体,以及被选个体将产生多少个子代个体。 常用的选择算子: 1、轮盘赌选择(Roulette Wheel Selection):是一种回放式随机采样方法。每个个体进入下一代的概率等于它的适应度值与整个种群中个体适应度值和的比例。选择误差较大。
遗传算法搜索最优解
实验一:基于遗传算法的函数优化 1、实验目的 1) 掌握Matlab子函数的编写与调用。 2) 理解基本遗传算法的原理,并利用程序实现利用遗传算法优化非线性函数的解。 2、实验内容与实验要求 1) 掌握基本遗传算法方法原理。 2) 掌握matlab子函数的编写方法及调用方法。 3) 根据基本遗传算法方法原理,编写Matlab程序,优化非线性函数的解。 4) 设f(x) = -x^2 - 4x + 1,求max f(x), x [-2, 2],解的精度保留二位小数 3、遗传算法原理 遗传算法模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、交叉和基因突变现象,在每次迭代中都保留一组候选解,并按某种指标从解群中选取较优的个体,利用遗传算子(选择、交叉和变异)对这些个体进行组合,产生新一代的候选解群,重复此过程,直到满足某种收敛指标为止。
4、主程序及子函数: 主函数: clear clc my_scale=80; %种群规模 gen_len=22; %基因长度 M=100; %迭代次数 pc=0.7; %交叉概率 pm=0.05; %变异概率 new_scale=produscale(my_scale,gen_len); %产生初始种群 fitfit=[]; fittimer=[]; best_f1=[]; best_x1=[]; for i=1:M my_f=cal_my_f(new_scale); %计算函数值 my_fit=cal_my_fit(my_f); %计算适应度值 next_scale=my_sellect(new_scale,my_fit); %采用赌轮盘法选择 cross_scale=my_cross(next_scale,pc); %按概率交叉 mut_scale=my_mutat(cross_scale,pm); %按概率变异 %寻找每一代中的最优适应度值所对应的个体 best_fit=my_fit(1); [sx,sy]=size(new_scale); for j=2:length(my_fit) if best_fit 智能优化方法——遗传算法 自动化1002朱浩翔31002419 摘要 智能优化方法通常包括进化算法(Evolutionary Computation,EC)和群智能(Swarm Intelligence,SI)等两大类方法。遗传算法是属于进化算法中的一种,是一类主要受生物进化启发的基于种群的有向随机搜索方法。可随种群的发育或迭代的进行而逐渐获得问题的全局最优解。在向全局最优解的搜索过程中,种群中的全部个体将在问题空间中并行的进行选择、交叉、变异或重组等进化算子操作。 关键词:遗传算法、进化、操作步骤、研究状况 引言:遗传算法(Genetic Algorithm,GA)作为一种重要的现代优化算法,构成了各种进化计算方法的基础。本文主要阐述其工作原理、基本步骤、应用状况、未来发展趋势及存在的不足和改进[1]。 1.遗传算法的工作原理及操作步骤 1.1 基本原理 遗传算法类似于自然进化,通过作用于染色体上基因的寻找最好的染色体来求解问题。与自然界相似,遗传算法对求解问题的本身一无所知,它需要的仅是对遗传算法所长生的染色体有更多的繁殖机会。在遗传算法中,通过随机方式产生若干个求解问题的数字编码,即染色体,形成初试种群;通过适应度函数给每个个体一个数值评价,淘汰低适应度的个体,选择高适应度的个体参加遗传操作,经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种群,对这个新种群进行下一轮进化[2]。 1.2 操作步骤(典型的算法步骤) 1)初始化种群:这个初始的群体也就是问题的假设解的集合。 2)计算种群上每个个体的适应度。 3)按由个体适应度值所决定的某个规则选择将进人下一代的个体:该 准则为适应度准则,体现了适者生存,不适者淘汰。 4)按概率Pc进行交叉操作:对于选择用于下一代繁殖的个体随机地选 择两个个体相同的位置,按交叉概率Pc在选中的位置实行交换。 5)按概率Pm进行变异操作:根据生物遗传中基因变异的原理,以变异 的概率Pm对某些个体的某些位执行变异。 6)若没有满足某种停止条件,则转入2),否则进入下一步:当最优个 体的适应度达到给定的阈值,或者最有个体的适应度和群体适应度不再上升时,则算法的迭代过程收敛,算法结束,否则重新回到步骤2)。 7)输出种群中适应度最优的染色体作为问题的满意解或最优解 [2][3]。 2.遗传算法的应用状况及发展趋势 2.1 遗传算法的主要应用领域 遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架,它不依赖于问题的具体领域,对问题的种类有很强的鲁棒性,所以广泛应用于很多学科。 《遗传的物质基础》教案 【教学目标】 1.知识与技能 (1)说明细胞核是遗传的控制中心,DNA是主要的遗传物质。 (2)尝试描述染色体、DNA和基因的关系。 2.过程与方法 通过对伞藻嫁接实验的讨论分析,能够归纳出细胞核是遗传的控制中心。 3.情感态度和价值观 通过学习遗传学知识,认同生命科学观点,树立实事求是的科学精神。 【教学重点】 描述染色体、DNA、基因之间的关系,说明DNA是主要的遗传物质。 【教学难点】 描述生物的遗传物质主要存在于细胞核中,说明细胞核是遗传的控制中心,认同生命关于子代与亲代之间以及子代个体之间具有相似性的科学解释。 【教学方法】 自主学习、合作探究 【课前准备】 教师:多媒体课件 学生:预习内容 【课时安排】 1课时 【教学过程】 一、创设情境,激趣导入 欣赏:课件展示成龙父子、张国立父子,金龟子母女、陈佩斯父子的照片。 导入:请同学们找找看,这些明星之间有什么共同点? 学生讨论并回答问题,亲代和子代之间有相似的特征。 小结:这是遗传的概念:子代与亲代之间以及子代个体之间相似的现象,叫做遗传。 生物界中其他生物是否也有遗传的现象?(举例说明)这说明了什么问题? 课件展示:生活中的俗语 结论:生物界中其他生物也有遗传的现象,说明遗传现象在生物界中普遍存在。 遗传和生物的其他生命活动一样,也有其物质基础。今天我们就来做一次遗传学家,一起来研究一下遗传的物质基础。 二、问题引导,探究质疑 (一)细胞核是遗传的控制中心 (过渡)最初,人们对遗传的认识只停留在子女与父母的长相方面,随着科技的日新月异,人们逐渐用科学的态度和方法来解释遗传现象,并通过实验确定了遗传物质在细胞中的位置。 1.伞藻嫁接实验 (1)了解伞藻: ①伞藻是一类大型的单细胞水生绿藻,其细胞核位于基部的假根内。成熟后,伞藻的顶部长出一个伞帽,伞帽的形状因伞藻的种类不同而有所差异。 ②伞藻具有较强的再生能力,切去伞帽后仍能长出新的伞帽。 (2)请学生阅读课本P93,找出伞藻A和伞藻B的不同点。 课件展示:伞藻A 伞藻B 伞帽形状圆形扫帚形 伞藻颜色绿色黄色 注意:细胞核的位置 (3)伞藻嫁接 质疑: ①伞帽的形状是由伞藻的哪部分结构决定的? ②通过对伞藻嫁接实验的观察,你得到什么启示? 学生讨论、交流,尝试总结。师生达成共识:由含有细胞核的假根部分控制。 伞帽的形状与含有细胞核的假根部分有关,生物的遗传物质主要存在于细胞核中。 结论:细胞核是遗传的控制中心。 知识拓展: 2.课件展示:克隆羊多利培育过程 思考:克隆羊多利像哪只羊?为什么? 遗传算法的基本理论 一、起源: 早在20世纪50年代和60年代,就有少数人几个计算机科学家独立地进行了所谓的“人工进化系统”研究,其出发点是进化的思想可以发展成为许多工程问题的优化工具。早期的研究形成了遗传算法的雏形,如大多数系统都遵循“适者生存”的仿自然法则,有些系统采用了基于群体(population)的设计方案,并且加入了自然选择与变异操作,还有一些系统对生物染色体编码进行了抽象处理,应用二进制编码。由于缺乏一种通用的编码方案,人们只能依赖变异而非交叉来产生新的基因结构,早期的算法收敛甚微。20世纪60年代中期,美国Michigan大学的John Holland在A.S.Fraser和H.J.Bremermann等人工作的基础上提出了位串编码技术。这种编码既适用于变异操作,又适用于交叉(即杂交)操作。并且强调将交叉作为主要的遗传操作。随后,Holland将该算法用于自然和人工系统的自适应行为的研究中,并于1975年出版了其开创性著作“Adaption in Natural and Artificial System”。以后,Holland等人将该算法加以推广,应用到优化及机器学习等问题中,并正式定名为遗传算法。遗传算法的通用编码技术和简单有效的遗传操作作为其广泛、成功地应用奠定了基础。Holland早期有关遗传算法的许多概念一直沿用至今,可见Holland对遗传算法的贡献之大。他认为遗传算法本质上是适应算法,应用最多的是系统最优化的研究。 二、发展: 年份贡献者内容 1962Holland程序漫游元胞计算机自适应系统框架 1968Holland模式定理的建立 1971Hollstein具有交配和选择规则的二维函数优化 1972Bosworth、Foo、Zeigler提出具有复杂变异、类似于遗传算法的基因操作1972Frantz位置非线性和倒位操作研究 1973Holland遗传算法中试验的最优配置和双臂强盗问题 1973Martin类似遗传真法的概率算法理论 1975De Jong用于5个测试函数的研究基本遗传算法基准参数 1975Holland 出版了开创性著作《Adaptation in Natural and Artificial System》 1981Bethke应用Walsh函数分析模式 1981Brindle研究遗传算法中的选择和支配问题 1983Pettit、Swigger遗传算法应用于非稳定问题的粗略研究1983Wetzel用遗传算法解决旅行商问题(TSP) 1984Mauldin基本遗传算法小用启发知识维持遗传多样性1985Baker试验基于排序的选择方法 1985Booker建议采用部分匹配计分、分享操作和交配限制法1985Goldberg、Lingle TSP问题个采用部分匹配交叉 1985Grefenstette、Fitzpattrick对含噪声的函数进行测试 1985Schaffer多种群遗传算法解决多目标优化问题1986Goldberg最优种群大小估计 1986Grefenstette元级遗传算法控制的遗传算法 1987Baker选择中随机误差的减少方法 1987Goldberg复制和交叉时最小欺骗问题(MDP) 1987Goldberg、Richardson借助分享函数的小生境和物种归纳法遗传算法原理步骤及发展状况和未来趋势
八年级生物上册 第四章 第一节《遗传的物质基础》教案 (新版)济南版
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