5 warunków równowagi Hardy'ego-Weinberga

Godfrey Hardy z zasady Hardy'ego-Weinberga.

Hulton Deutsch / Contributor / Corbis Historyczne / Getty Images

Jedna z najważniejszych zasad genetyka populacji , badanie składu genetycznego i różnic w populacjach, jest Zasada równowagi Hardy'ego-Weinberga . Opisywany również jako równowaga genetyczna , ta zasada podaje parametry genetyczne populacji, która nie ewoluuje. W takiej populacji wariacja genetyczna oraz naturalna selekcja nie występują, a populacja nie doświadcza zmian w genotyp oraz allele częstotliwości z pokolenia na pokolenie.

Kluczowe dania na wynos

• Godfrey Hardy i Wilhelm Weinberg postulowali zasadę Hardy-Weinberg na początku XX wieku. Przewiduje częstość występowania alleli i genotypów w populacjach (nieewoluujących).
• Pierwszym warunkiem, który musi być spełniony dla równowagi Hardy'ego-Weinberga, jest brak mutacji w populacji.
• Drugim warunkiem, który musi być spełniony dla równowagi Hardy'ego-Weinberga, jest brak przepływu genów w populacji.
• Trzeci warunek, który musi być spełniony, to wielkość populacji musi być wystarczająca, aby nie było dryfu genetycznego.
• Czwartym warunkiem, który musi być spełniony, jest kojarzenie losowe w populacji.
• Wreszcie piąty warunek wymaga, aby dobór naturalny nie miał miejsca.

Zasada Hardy'ego-Weinberga

Atrybucja 4.0 ' id='mntl-sc-block-image_2-0-1' />

Zasada Hardy'ego-Weinberga. CNX OpenStax/Wikimedia Commons/CC BY Atrybucja 4.0

Zasada Hardy'ego-Weinberga został opracowany przez matematyka Godfreya Hardy'ego i lekarza Wilhelma Weinberga na początku XX wieku. Skonstruowali model do przewidywania częstości genotypu i alleli w nieewoluującej populacji. Model ten opiera się na pięciu głównych założeniach lub warunkach, które muszą być spełnione, aby populacja istniała w równowadze genetycznej. Te pięć głównych warunków to:

Mutacjemusi nie pojawiają się, aby wprowadzić nowe allele do populacji.Nie przepływ genów może wystąpić, aby zwiększyć zmienność puli genów.
1. Bardzo duża populacja rozmiar jest wymagany, aby zapewnić, że częstotliwość alleli nie zostanie zmieniona przez dryf genetyczny.
Godymusi być losowy w populacji.Naturalna selekcjamusi nie pojawiają się, aby zmienić częstotliwość genów.

Warunki wymagane do równowagi genetycznej są wyidealizowane, ponieważ nie widzimy ich wszystkich naraz w naturze. W związku z tym ewolucja zachodzi w populacjach. W oparciu o wyidealizowane warunki Hardy i Weinberg opracowali równanie do przewidywania wyników genetycznych w nieewoluującej populacji w czasie.

To równanie, p^dwa+ 2pq + q^dwa= 1 , jest również znany jako Równanie równowagi Hardy'ego-Weinberga .

Jest przydatny do porównywania zmian częstości genotypów w populacji z oczekiwanymi wynikami populacji w równowadze genetycznej. W tym równaniu p^dwa reprezentuje przewidywaną częstotliwość homozygotyczny osobniki dominujące w populacji, 2pq reprezentuje przewidywaną częstotliwość heterozygotyczny osoby fizyczne i q^dwa reprezentuje przewidywaną częstotliwość osobników homozygotycznych recesywnych. W rozwoju tego równania Hardy i Weinberg rozszerzyli ustalone Zasady genetyki Mendla dziedziczenia do genetyki populacyjnej.

Mutacje

Mutacja genetyczna. BlackJack3D/E+/Getty Images

Jednym z warunków, które muszą być spełnione dla równowagi Hardy'ego-Weinberga, jest brak mutacje w populacji. Mutacje są trwałymi zmianami w sekwencji genów DNA . Te zmiany zmieniają geny i allele prowadzące do zmienności genetycznej w populacji. Chociaż mutacje powodują zmiany w genotypie populacji, mogą, ale nie muszą, dawać obserwowalnych lub zmiany fenotypowe . Mutacje mogą wpływać na poszczególne geny lub całe chromosomy . Mutacje genów zwykle występują jako: mutacje punktowe lub wstawienia/usunięcie par zasad . W mutacji punktowej zmienia się pojedyncza zasada nukleotydowa, zmieniając sekwencję genu. Insercje/delecje par zasad powodują mutacje przesunięcia ramki, w której ramka, z której podczas odczytu DNA jest odczytywana synteza białek jest przesunięty. Powoduje to produkcję wadliwych białka . Mutacje te są przekazywane kolejnym pokoleniom poprzez replikacja DNA .

Mutacje chromosomowe może zmienić strukturę chromosomu lub liczbę chromosomów w komórce. Strukturalne zmiany chromosomów powstają w wyniku duplikacji lub złamania chromosomów. Jeśli kawałek DNA zostanie oddzielony od chromosomu, może przenieść się do nowej pozycji na innym chromosomie (translokacja), może odwrócić się i zostać wstawiony z powrotem do chromosomu (inwersja) lub może zostać utracony podczas podział komórek (usunięcie). Te mutacje strukturalne zmieniają sekwencje genów w zmienności genów wytwarzających chromosomalny DNA. Mutacje chromosomowe występują również z powodu zmian liczby chromosomów. Zwykle wynika to z uszkodzenia chromosomów lub nieprawidłowego oddzielenia chromosomów (nierozdzielenia) podczas mejoza lub mitoza .

Przepływ genów

Migracja gęsi kanadyjskich. Sharply_done/E+/Getty Images

W równowadze Hardy'ego-Weinberga przepływ genów nie może występować w populacji. Przepływ genów lub migracja genów następuje, gdy częstotliwości alleli w zmianie populacji, gdy organizmy migrują do populacji lub z niej. Migracja z jednej populacji do drugiej wprowadza nowe allele do istniejącej puli genów poprzez:rozmnażanie płciowemiędzy członkami obu populacji. Przepływ genów jest zależny od migracji pomiędzy oddzielonymi populacjami. Organizmy muszą być w stanie pokonywać duże odległości lub przecinać bariery (góry, oceany itp.), aby migrować w inne miejsce i wprowadzać nowe geny do istniejącej populacji. W populacjach roślin niemobilnych, takich jak okrytozalążkowe , przepływ genów może wystąpić jako pyłek kwiatowy jest przenoszony przez wiatr lub zwierzęta do odległych miejsc.

Organizmy migrujące z populacji mogą również zmieniać częstotliwość występowania genów. Usunięcie genów z puli genów zmniejsza występowanie określonych alleli i zmienia ich częstotliwość w puli genów. Imigracja wnosi do populacji zmienność genetyczną i może pomóc populacji przystosować się do zmian środowiskowych. Jednak imigracja utrudnia również optymalne przystosowanie się w stabilnym środowisku. The emigracja genów (wypływ genów z populacji) może umożliwić adaptację do lokalnego środowiska, ale może również prowadzić do utraty różnorodności genetycznej i możliwego wyginięcia.

Dryf genetyczny

CC PRZEZ 4.0 ' id='mntl-sc-block-image_2-0-16' />

Dryf genetyczny / efekt wąskiego gardła w populacji. OpenStax, Rice University/Wikimedia Commons/ CC PRZEZ 4.0

Bardzo duża populacja, jeden o nieskończonym rozmiarze , jest wymagane dla równowagi Hardy'ego-Weinberga. Warunek ten jest potrzebny, aby zwalczyć wpływ dryf genetyczny . Dryf genetyczny jest opisana jako zmiana częstości alleli w populacji, która pojawia się przypadkowo, a nie w wyniku doboru naturalnego. Im mniejsza populacja, tym większy wpływ dryfu genetycznego. Dzieje się tak, ponieważ im mniejsza populacja, tym większe prawdopodobieństwo, że niektóre allele zostaną utrwalone, a inne wyginąć . Usunięcie alleli z populacji zmienia częstość alleli w populacji. Częstotliwości alleli są bardziej prawdopodobne w większych populacjach ze względu na występowanie alleli u dużej liczby osobników w populacji.

Dryf genetyczny nie wynika z adaptacji, ale jest dziełem przypadku. Allele, które utrzymują się w populacji, mogą być pomocne lub szkodliwe dla organizmów w populacji. Dwa rodzaje zdarzeń sprzyjają dryfowi genetycznemu i skrajnie mniejszej różnorodności genetycznej w populacji. Pierwszy rodzaj zdarzenia jest znany jako wąskie gardło populacji. Populacje wąskich gardeł wynika z katastrofy demograficznej, która ma miejsce z powodu jakiegoś rodzaju katastrofalnego wydarzenia, które wyniszcza większość populacji. Populacja, która przeżyła, ma ograniczoną różnorodność alleli i zmniejszoną pula genowa z którego czerpać. Drugi przykład dryfu genetycznego obserwuje się w tzw efekt założyciela . W tym przypadku niewielka grupa osobników zostaje oddzielona od głównej populacji i tworzy nową populację. Ta grupa kolonialna nie ma pełnej reprezentacji alleli oryginalnej grupy i będzie miała różne częstotliwości alleli w stosunkowo mniejszej puli genów.

Losowe krycie

Zaloty łabędzi. Andy Rouse/Photolibrary/Getty Images

Losowe krycie jest kolejnym warunkiem wymaganym dla równowagi Hardy'ego-Weinberga w populacji. W kojarzeniu losowym osobniki łączą się w pary bez preferencji dla wybranych cech potencjalnego partnera. Aby utrzymać równowagę genetyczną, krycie to musi również skutkować wytworzeniem takiej samej liczby potomstwa dla wszystkich samic w populacji. Nie losowo kojarzenie jest powszechnie obserwowane w przyrodzie poprzez dobór płciowy. W dobór płciowy , osoba wybiera partnera na podstawie cech, które uważa się za preferowane. Cechy, takie jak jaskrawe pióra, brutalna siła lub duże poroże, wskazują na wyższą sprawność.

Kobiety, bardziej niż samce, są selektywne przy doborze partnerów, aby zwiększyć szanse ich młodych na przeżycie. Nielosowe kojarzenie zmienia częstość alleli w populacji, ponieważ osoby o pożądanych cechach są wybierane do kojarzenia częściej niż osoby bez tych cech. W niektórych gatunek , tylko wybrane osobniki mogą łączyć się w pary. Z biegiem pokoleń allele wyselekcjonowanych osobników będą pojawiać się częściej w puli genów populacji. W związku z tym dobór płciowy przyczynia się do: ewolucja populacji .

Naturalna selekcja

Ta czerwonooka rzekotka drzewna jest dobrze przystosowana do życia w swoim siedlisku w Panamie. Brad Wilson, DVM/Moment/Getty Images

Aby populacja istniała w równowadze Hardy'ego-Weinberga, nie może zachodzić dobór naturalny. Naturalna selekcja jest ważnym czynnikiem w ewolucja biologiczna . Kiedy następuje dobór naturalny, osobniki w populacji, które są najlepsze dostosowane do ich otoczenia przeżyć i wydać więcej potomstwa niż osobniki, które nie są tak dobrze przystosowane. Powoduje to zmianę składu genetycznego populacji, ponieważ bardziej korzystne allele są przekazywane całej populacji. Dobór naturalny zmienia częstość alleli w populacji. Ta zmiana nie jest wynikiem przypadku, jak w przypadku dryfu genetycznego, ale wynikiem adaptacji środowiskowej.

Środowisko określa, które odmiany genetyczne są korzystniejsze. Te różnice wynikają z kilku czynników. Mutacja genów, przepływ genów i rekombinacja genetyczna podczas rozmnażania płciowego są wszystkie czynniki, które wprowadzają zmienność i nowe kombinacje genów do populacji. Cechy preferowane przez dobór naturalny mogą być określone przez pojedynczy gen lub wiele genów ( cechy poligeniczne ). Przykłady naturalnie wybranych cech obejmują modyfikację liści w Mięsożerne rośliny , podobieństwo liści u zwierząt oraz mechanizmy obronne zachowań adaptacyjnych, takie jak: udawać martwego .

Źródła

• Frankham, Richard. Ratowanie genetyczne małych populacji wsobnych: metaanaliza ujawnia duże i spójne korzyści płynące z przepływu genów. Ekologia molekularna , 23 marca 2015, s. 2610–2618, onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mec.13139/full.
• Reece, Jane B. i Neil A. Campbell. Biologia Campbella . Benjamin Cummings, 2011.
• _{Samir, Okasza. Genetyka populacji. The Stanford Encyclopedia of Philosophy (wydanie zimowe 2016) , Edward N. Zalta (red.), 22.09.2006, plato.stanford.edu/archives/win2016/entries/population-genetics/.}