进化

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所以通过自然选择的进化，是所有现代生物学的基础，就像地球是圆的理论，是现代地理学的基础。所以理解它是非常重要的。幸运的是，这是生物学中最容易理解的概念之一。证据就在我们身边。

比如我在研究DNA，或者我在教我的学生光合作用。这是在分子水平上的，我不能那么容易地指着一棵植物说，“嘿，孩子们，让我们看看Rubisco酶做它的事情。”但有了进化，我可以问那些听说过肺结核的孩子。一群孩子会举起他们的手，他们会喋喋不休地讲述结核病是如何变得对抗生素有抗药性的，因为人们一直在使用或滥用抗生素来对抗它们。

或者举个例子，我可以描述一群兔子。有些兔子的皮毛能让它们融入背景，而另一些兔子的毛发则能让它们脱颖而出。狼会发现哪一个，脱颖而出的那个，他们会被吃掉。下一代会发生什么?伪装兔子，它们开始像兔子一样生孩子。结果你得到了一堆伪装的东西。那些看起来像马戏团怪物的人他们已经死了。一旦你死了，你的孩子数量就会减少。所以这很简单，这就是为什么我的学生喜欢进化单元，因为它是一年中最简单的单元。

也就是说，通过自然选择进化的整个观点有了一些新的答案。还有一些人有很多误解。这很容易让你在AP考试中犯一些粗心的错误，如果你没有真正花时间去了解基本概念的话。所以我要做的是，我要带你们了解整个概念。我将从达尔文通过自然选择的进化论开始，以及这意味着什么。然后我会讲一些用来建立这个想法的证据，以及现在科学家用来确定不同物种之间进化关系的证据。

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如果我要用物种这个术语，我必须定义它。我会讲一下什么是物种，以及物种是如何分开的，这样它们才不会变成普通的有机体。最后，我将介绍科学家们发现的几种不同的进化模式，使用我之前讨论过的关于进化是如何运作的证据。

首先，我想谈谈，关于进化的一些问题。一些关于进化是什么以及进化的内涵的误解。这将确保我们都在同一页开始。

很多人对进化是什么和进化不是什么有误解。所以，为了确保我们都在同一页上，让我们从这里开始。所以进化论实际上不是理论，而是事实。进化被定义为一个种群随着时间的推移发生的基因变化。对于你们中不知道的人来说，种群是指特定区域内特定物种的一群成员。

我们经常看到这种情况。你知道你每年都需要注射新的流感疫苗，为什么呢?这是因为在不同的流感病毒株中有基因变化，这就是进化。如果没有这种普遍的改变，你可以打一针，你的余生就完了。达尔文的关键之处在于他是提出这个想法的人，“为什么会有这些基因变化?”他发现，这是通过他称之为自然选择的过程发生的。

那么什么是自然选择呢?自然选择是这样一种观点，如果你在一群生物中，一些生物拥有赋予它们某种特质的基因，而另一些生物没有这种基因。所以不要有这种特质。如果那个基因，那个特征，给了你一种优势，让你有更好的机会存活到有孩子的时候，他们活下来了，那么你就会有孩子，把那些基因传递下去。

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所有那些没有这种特征的生物，它们往往会灭绝，没有那么多后代，因为它们死了。所以，经过一段足够长的时间，你会发现没有这种特质的人越来越少，而有这种特质的人越来越多。这就是进化。

那么这是如何工作的呢?我们来看一个例子。100年前，如果你感染了葡萄球菌是由一种叫做葡萄球菌的特殊细菌引起的，很有可能，如果你在伤口上感染了葡萄球菌，你就会死亡。但当他们开始使用青霉素等抗生素时，突然间青霉素就像核弹一样。“消灭他们。”这是灵丹妙药。然而现在，它的尖棍可以抵抗大多数细菌，这是怎么发生的呢?

当人们第一次服用青霉素时，细菌就被消灭了。也许会有一两个幸存者但他们的免疫系统会把他们消灭掉。现在让我们想象某人体内，他服用了一剂青霉素但可能比他实际应该服用的剂量要低一些。在葡萄球菌中，可能会有一些突变体比没有突变体的，存活几率稍高一些。他们活了下来。然而抗生素确实消灭了所有食物的竞争对手，也就是你。所以，这些家伙开始繁殖很快你就有了一个新的葡萄球菌感染。没问题，你用一些新的青霉素就能消灭99%的细菌。剩下1%的人有一点抵抗力。

这样的过程持续了数百代，对细菌来说可能是一到两周。很快，你就有了一种有更多突变的细菌，一些突变使它们更有抵抗力。你开始繁殖越来越多的耐药细菌。这很有道理，不是吗?

现在科学家们最近也意识到有一种叫做基因漂移的东西，它是一种随机的变化。

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这是基因随着时间或进化而改变的另一个令人惊讶的主要原因。但最关键的是自然选择。那么让我们来看看自然选择的要求是什么。

第一个是，你出生的后代数量必须大于能存活到成年的数量。如果每个出生的人都能活下来，那么就不会有任何变化。所以，抱歉，但事情就是这样。其次，你需要竞争资源。

我说的资源是什么意思?可以是食物，可以是住所，可以是温暖，可以是伴侣。如果你认为人类之间没有配偶竞争，你就不会看VH1。在种群中需要有基于基因的变异。

如果邪恶博士用激光捕捉鲨鱼并决定消灭任何莫霍克发型的人，那没问题。我们都只是把头发剃光或梳理一下。另一方面，如果你决定去找任何一个身高在5英尺10英寸以上的人，那将会在人类人口中迅速引起重大变化，从而消灭大部分NBA球员。

接下来，一些变异需要有更大的机会存活足够长的时间来繁殖。这是关键。这被称为生殖适应性的提高。很多人把这和强者的生存相混淆。如果强壮不能帮助你生下活下来的孩子，那它就不是优势。举个例子，回想一下十字军东征。在十字军东征的时候最强壮最骁勇善战的人去了哪里?他们在中东呆了几十年。作为一个弱小的，不强壮的家伙，他们会呆在欧洲的家里，他们会说:“大人，别理我，我会照顾好城堡和您的妻子。”

现在在非洲，科学家们已经看到大象象牙的尺寸在减小。现在是长牙让雄性赢得了争夺配偶的竞争。所以你会认为它们的象牙会越来越大。嗯你猜怎么着?数以百计的人喜欢长着大象牙的大象，他们一直在射杀它们。所以现在有小象牙的优势，这样你就有机会生存下来。

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那么基因漂移呢?基因漂变是一种随机的变化，一种因为随机的事情发生而发生的奇怪的事情。这通常在小群体中更常见，而不是在大群体中。因为如果有10个人死于车祸，抱歉，那太可怕了。但如果这是一个100人的村庄的起始人口，那么随机消灭的人口比例是相当大的。现在如果是60亿人口中的10个人，这甚至连一点滴水都算不上。这就是为什么基因漂变倾向于集中在小群体中。

现在有两种情况。有一种叫做瓶颈效应和创始人效应。“瓶颈效应”是指人口中的一部分因为一些随机事件而死亡，比如洪水、地震或其他什么。而那些存活下来的人，不是因为他们有基因优势，而是因为他们很幸运。

这就产生了所谓的瓶颈。你可以看到在一些东欧的犹太人中，他们倾向于通过一些项目或其他事情来消灭大部分的人口。这并不是因为他们比那些死去的人有什么基因优势，只是事情发生的方式。

以类似的方式，但没有那么致命的，是创始人效应。现在，方正效应是，假设你有一个新的环境，你带来了一小部分人口。如果新出生的后代与它们的父辈不完全匹配，这可能会导致这个小群体发生一些变化。例如，如果你观察住在南非的阿非利卡人。它们都是由大约1000名来自荷兰的30个家庭的成员组成的移民团体建立的。

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因为他们没有经过荷兰，只选取普通的荷兰人，结果发现在阿非利卡人的基因极中有一些遗传疾病，比如卟啉症。他们比普通荷兰人遭受的痛苦要多得多。还有一些遗传疾病，他们只是碰巧没有把这些疾病带到南非，所以他们就不会患上这些疾病。这是遗传变化的两种主要机制，遗传漂变和自然选择。

虽然自然选择是有道理的，但不幸的是，在生活和科学中，仅仅因为某件事有道理，并不意味着它是正确的。在科学上，你需要证据来支持你的观点。那么进化的证据是什么呢?首先，有观察到的进化。科学家们亲眼目睹了它的发生。观察进化的一个问题是，我刚才谈到的这种基因变化，通常需要几十代，几百代，甚至几千代才能出现显著的变化。这就是为什么只有在寿命较短的生物中我们才有机会看到它。无论是我之前说过的耐抗生素细菌，还是病毒和其他短命生物。现在，除了在生物身上看到它，科学家们还能够回顾过去30到40亿年前我们听到这个星球上有生命的时候。那就是使用化石。

现在看看这些印记化石，或者是曾经生活在地球上的生物的骨骼化石，当你观察它们的时候，你必须观察它们的一些结构。你们必须记住，一个叫做同源结构和类似结构的概念。

同源结构是来自胚胎中相似起源的身体部位。例如，当我看我的手和蝙蝠的翅膀时，它们看起来非常不同。但很自然，蝙蝠的翅膀是由同样的骨骼和组织组成的，只是排列方式不同。

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这就是所谓的分化进化。当你在两个生物体中看到看起来非常不同的同源结构时，这表明它们分离了。

很多时候科学家们遇到了麻烦因为有一种叫做类似结构的东西。类似结构是指外表或行为相同的身体部位或其他部位，“这两者是相关的。”但事实证明它们并没有关系，它们只是针对同一个问题想出了相同的解决方案。

例如，看一看鲨鱼和海豚。它们的形状一般是一样的。为什么?因为如果你要在水中以每小时30英里的速度前进，你需要看起来像海豚或鲨鱼。但如果你曾经玩过游戏，你认为那是一群海豚在你周围游泳，然后你发现事实并非如此，你可以看出其中有一些显著的区别。这个过程叫做趋同进化，有时也叫平行进化。自然选择是对两个没有血缘关系的物种的欺骗，使它们最终看起来本质上是一样的。

现在说到胚胎学，通过观察胚胎来发现这些东西，这是科学家能够在生物身上使用的东西。那就是观察它们的胚胎是如何发育的。举个例子，在我们人类的背部，当你还是一个胚胎的时候，你有一层软骨叫做脊索。最终在我们体内它被脊髓所取代。但实际上，所有脊椎动物都是在胚胎发育的某个阶段发育出脊索的。而那些不是脊椎动物的生物，那些和我们没有密切关系的生物，比如章鱼或昆虫，我们知道它们没有关系的部分原因是，它们没有脊索。

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现在，随着现代分子生物学的出现，科学家们现在能够观察生物的DNA和其他大小的成分，或者不再是生物的成分。我们实际上已经能够观察他们的基因，并利用DNA差异来确定谁有血缘关系，谁没有。这导致了我们进化史上的一些重大改变。给你一些改进的想法说，在我们不太遥远的过去。

许多年前，托马斯·杰斐逊的后裔们，在一次家庭聚会上，有一群非裔美国人走了进来，说:“嗨，我们是我们是你的家人。我们是托马斯·杰斐逊和他的奴隶的后裔吗?”他们说,“哦!不,你没有。”DNA说，是的，他有。现在他们希望是一个幸福的大家庭。

比较分子生物学是一种通过比较DNA，比较蛋白质，和其他生物分子成分，来找出这种亲缘关系的方法。它甚至导致了一种叫做分子钟的东西。这就是一些突变以相对可预测的速度发生的想法。比如说在这一个基因中，如果你倾向于每一万年发生一次突变，那么在两个不同的物种之间你会发现有9个差异。这表明9乘以10万年前是这两个物种分离的时间。

所以，如果杰瑞施普林格的观众能够接受DNA测试作为亲缘关系的证据，那么这似乎是物种可以亲缘关系的很好的证据。但这就引出了一个问题，到底什么是物种?

定义一个物种在这个词的两种意义上是一个棘手的问题。这是一个棘手的问题，你试图为自然界发生的事情提出一个人类的定义。尽我们所能努力工作，但很多时候，大自然只是无视我们，打破我们的规则。它也很淘气，因为它都是关于性的。

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让我们来看看科学家们做出了哪些最大的努力。这个观点认为，一个物种是一组杂交繁殖，或潜在的杂交繁殖的自然种群是繁殖隔离的。这是一堆口哨语。让我说得简单一点。

一个物种是一组生物体，它们都倾向于与彼此发生性行为，而不是与其他种类的生物体发生性行为。

现在我们来看看他们为什么会有这些口哨声。它是关于异种交配或潜在的异种交配，这是关于什么的?意大利人和堪萨斯人一样都是人。但它们通常不会互相繁殖，除非它们跳上飞机，自找麻烦。那么自然到底意味着什么呢?这意味着这些生物通常不会相互接触，所以它们从不与其他生物繁殖。

例如，你和我会说，狮子和老虎是不同物种的成员，狮子和老虎会同意。但事实证明，有时在动物园里，如果你把狮子和老虎关在同一个笼子里，调暗灯光，播放一些浪漫的音乐，在它们很少的情况下不会互相攻击的时候，有时你会看到狮虎兽或狮虎兽。

那么，我们有哪些方法来区分物种呢?这些被称为生殖隔离机制。它们被分为两类。第一个是所谓的前合子。这是任何机制，任何技术或任何东西，阻止精子与卵子相遇并使其受精。这就是产生合子的原因，所以叫做前合子。

如果精子和卵子结合在一起会发生什么呢?这就是所谓的合子后生殖隔离机制。在这里，一些东西最终产生了虚弱或死亡的后代。让我们来仔细看看那些合子前的生殖隔离机制。

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首先是栖息地隔离。如果你们从未见过面，你的精子或卵子就很难与他或她的精子或卵子结合在一起。所以在不同的栖息地，不同的地方有不同的生物，比如非洲和印度，非常不同，这些生物倾向于保持独立。你也可以在同一区域有两种生物。比如说在雨林中，有一些生物生活在高高的树冠上，而另一些则生活在雨林的底层，它们从不相遇。

交配季节是保持物种分离的另一个好方法。我们人类很怪异，我们可以做爱，而且做爱成功。所谓成功的性生活，我指的是你会有孩子和孙子，等等。好吧，如果你在三月有交配季节，在六月有东西在你身边鞍上。不管他们怎么努力，都不会有什么结果。

下一个，就是不同的交配仪式。这是我最喜欢的领域之一因为这里有很多例子。我们一直都能看到。一些蜘蛛向你走来，开始用它的前腿做这种动作，希望你不会“汪汪汪汪”。但它所做的是试图向你发出信号，“嗨，我是来交配的，请先别杀我。”另一方面，如果你走到一只雌性蜘蛛面前，递给她一些花和巧克力，并跳出你最跳的舞步，她是不会和你做爱的。那是因为你们有不同的交配仪式。这有助于确保我们不会最终创造出蜘蛛侠。

那么人类的交配仪式是什么呢?随便看看学校的舞会，你就会看到一群这样的人。在人类中，智商也被怀疑是我们交配仪式的一部分。变得聪明是一件极其困难的事情。它需要正确的基因组合，需要正确的胎儿发育，成长发育。人们认为，我们费尽心思炫耀智商的原因之一，是为了吸引异性。

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当然，你想不到有谁能在异性面前取得成功，即使他们长得有点丑，但他们都在被称为音乐产业的创意产业中取得了成功。让我们继续。

另一个是“锁”和“钥匙”假说。如果雄性的“钥匙”插不进雌性的“锁”。这样精子就无法到达卵子了。例如，让我们想象一下，由于某种原因，一只雄性蓝鲸疯狂地爱上了一只雌性豚鼠。尽他们最大的努力，他们对孩子的唯一希望就是收养。在移动。

不兼容的配子。即使你设法让精子和卵子结合在一起，精子和卵子表面的所有这些酶或蛋白质都有助于确保受精不能发生。想象一下，例如，你真的爱上了一只海胆，你从那个洞里寻找你的真爱。你做过调查，你知道它们的交配季节。你不知怎么搞明白了他们的交配仪式是什么。即使你参与了外部受精，你解决了锁和钥匙的问题，你的精子也无法在海洋中存活。也许就这样死去吧。即使它们在死前设法撞上了卵子，它们仍然不能吃进去让卵子受精。

现在让我们来看看合子后的交配仪式。很多时候你会得到非常虚弱的后代。因为由于一个物种和另一个物种之间的染色体不匹配，孩子可能会丢失一些重要的关键基因。或者它们可能被不正确地调节。

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最终，有时你会得到非常强大的病毒后代，但不幸的是它们是不育的。骡子就是一个例子。驴和马显然是亲缘关系很近的动物，它们可以成功地产下骡子的后代。骡子很好，它们强壮，耐力强。它们是很好的群居动物，但它们都不能生育。这是它们维持物种屏障的方式。

现在你知道了什么是物种以及两个物种之间的差异是如何维持的。我们还讨论了一些科学家用来确定进化亲缘关系的证据。那么，现在让我们进入我之前讨论过的模式，我们所看到的进化变化。首先，让我从所谓的渐进主义和间断均衡开始。

渐进主义是达尔文最初提出的想法。这种观点认为物种会从一代到下一代逐渐积累，微小的基因变化。直到几千代之后，这些微小的变化积累了足够多，使后代与他们的祖先足够不同，以至于我们都同意他们是不同的物种。好吧,是有意义的。

然而，当你查看化石记录时，你会期望看到很多中间化石，被称为过渡化石。通常你会找到它们，但也经常找不到。这在很大程度上是因为，成为化石是一件奇怪的事情。我们不经常这样做。我不会变成化石，你也不太可能。

所以，如果你一开始就有一个很小的生物种群，它们成为化石的机会是非常罕见的。然而，科学家们对此仍然有些困惑。然而他们意识到，其实事情并不一定会这样发生。相反，你可以有一组生物体，如果它们的形态与环境相匹配，事实上自然选择会反对突变，因为突变会破坏成功。

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所以自然选择去除了突变体。这就是整个过程的平衡部分。现在，只要环境保持不变，有机体也保持不变。但是，如果有某种相对突然的环境变化，风暴或全球变暖，那么所有的一切都是错误的。现在突变体没有被选择可能会有一些奇怪的突变体有优势。所以你可以有这种相对快速的进化变化。这就是标点符号的来源。

现在你必须要小心，因为当生物学家说“快速”时，他们的意思可能是“只有700或1000代。”所以这可能是一个需要3万年的快速变化。现在我们来看看什么叫做异域物种形成和同域物种形成。

物种形成是新物种的创造。它有两种基本方式，基于;新物种与亲代种群在同一地理位置吗?还是在另一个地方?

异居是指新种群在物理上，地理上，与原种群分离。现在，在这个图中，假设我们从一组树开始。通过普通的侵蚀，河流最终吞噬了部分人口之间的土地。现在，如果有一条足够大的河流，一组树木的花粉很难到达另一组树木的花朵上。所以经过很长一段时间，你可以积累双方的基因差异。如果以某种方式，最终，一些花粉从一侧到达了另一侧。如果你有足够的时间让基因差异积累，那么它们的繁殖就会隔离，花粉就不能给花授粉。这是分区物种形成。

现在我们来看看同域。

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有了同域性，新的亚种群和亲代种群处于相同的地理位置。这在动物中是非常罕见的，因为只要你有一小群具有某种基因特征的动物，它们就会倾向于开始与它们附近的大群体发生性行为。这成为了大多数人共有的普遍特征。

现在，你可以想象如果那个亚群有了这个新基因，也许他们会在同一时间发展出不同的交配仪式或进食模式。也许从行为上来说，它们会被阻止与更大的种群交配，但这种情况并不经常发生。另一方面，植物一直都在这样做。

植物之所以能做到这一点，是因为它们能自我受精。这意味着你可以独自拥有一个新的变种人。他发生了某种奇怪的突变，他只是自花授粉。然后有一小部分新树木在这个位置上有这种突变。

现在，当你在两个不同的物种之间有一个高的品种时，你也可以得到它。但是记住，我们讨论过这个。这是合子后生殖隔离机制之一，这种高不育性。为什么高种犬不育?很多时候是因为，它们缺少同源染色体。因为它们的父母没有提供每一种的同源染色体给新品种。

对动物来说，你就没那么幸运了。对植物来说，它们可以做这种叫做多倍体的把戏，在有丝分裂过程中，它们不小心使一个细胞中每种染色体的数量翻倍。

这可以继续，让植物现在有它的同源染色体。它可以成功地制造配子，使它们能够创造一个新物种。对于动物来说，它们无法在这个过程中存活下来。这会严重破坏他们的基因，尤其是他们的神经系统，因为神经系统对基因差异非常敏感。

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他们会完全搞砸的。为什么计划能做到这一点?他们已经是精神蔬菜了。

最后我要讨论的是，不同种类的选择。第一个是定向选择。这张图中，橙色代表老年人口。假设橙色代表钟形曲线或者说是兔子速度的分布。

这是兔子的数量;这些是慢兔，这些是快兔。如果你是一只慢兔，种群中有狼，会发生什么?你被吃掉。如果你是一只跑得很快的兔子，会发生什么?你的同伴们拖慢了狼的速度，你逃脱了。随着时间的推移，我们会看到兔子的平均速度向那个方向移动，这就是为什么它被称为定向选择。似乎逻辑不够。

与之相反的是，在某种程度上叫做稳定选择。让我们来看看。

在稳定选择中，我用橙色表示旧平均值。这里，不是选择一个极端就是选择另一个极端，在这种情况下，两个极端都被选择反对，而平均值被支持。举个例子吧?在很长一段时间里，人类有一个相当稳定的平均出生体重，大约在6到8磅左右。比六五磅要小得多，而且婴儿出生时没有足够的内部资源来度过最初关键的几个月。而如果你是一个大婴儿，20磅的婴儿，有很多脂肪储备。但婴儿很可能逃不过妈妈和婴儿，可能妈妈也会死。这使得出生体重相当稳定。

让我们看下一个，破坏性选择。

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还是我们的起始人群，这里选择的是平均个体而选择的是极端个体。举个例子吧?让我和我的学生们印象深刻的，是我的一位大学教授告诉我的。在这群鱼中，雄性鱼会参与一种生殖隔离机制。它们会和同种类的其他鱼打架，雄鱼会赶走其他雄鱼。一般来说，雄性体型越大，赢得战斗的机会就越大。在一段时间内，雄性的体型会有什么变化?你会看到越来越大的雄性。你确实看到了越来越大的雄性。

然而，你也看到了相当数量的小型成年雄性。科学家们会坐在那里挠头问:“这是怎么回事?”他们所做的就是观察，他们会看到，大的雄性赶走了这些小的雄性，它们赶走了一些。但体型较大的雄鱼不会浪费任何精力赶走幼鱼，也就是小的幼鱼，因为它们还没有准备好交配。所以不浪费能量。接下来会发生的是，大的家伙会赶走所有的竞争者重新回到弦的一个区域。雌性会过来跳舞，结果发现有这种小忍者，成年雄性和幼忍者一样大。他们会躲在石头下面。等到舞会结束的时候拉上拉链把他的精子喷出来然后拉上拉链离开。这条大鱼的注意力被打乱了经常无法释放精子。 So that little guy managed to fertilize all the eggs that the female sprayed out. This is called the sneaky 'efforts' hypothesis and F stands for fish.

要查的范围可真大。但希望就像我说的，这些东西是有意义的，除了那些邪恶的计划和那些可怕的多倍体。但如果你理解了基本原理。它非常直截了当，容易理解。

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为了测试，你真的需要知道自然选择的要求。记住，这是适合繁殖的生存，而不仅仅是最强壮的。这一切都是为了让你的后代拥有他们自己的后代。

不要忘记基因差异的随机变化是由我讲过的随机基因漂移引起的。它变得比科学家最初认为的越来越重要。准备好回答有关进化论的问题，并抛出进化论的证据;抗生素耐药菌、比较解剖学、同源结构与相似结构、比较分子生物学和不同生物胚胎的比较。

他们也可能会问一些关于新空间开发的问题。准备好异域和同域的物种形成。还会讨论可能发生的选择事件。为了让你们自己开心，下次情人节到来的时候，想想那些合子前的交配仪式，当你看到有人送别人糖果作为礼物来展示他们获得资源的能力。玫瑰是红的，紫罗兰是蓝的，我在向你炫耀我的繁殖能力。