Hardy-Weinberg und genetische Drift

Wissenschaftler fragten sich einmal, warum dominante Merkmale wie hellbraune Giraffenflecken nicht mit jeder Generation häufiger werden und rezessive Merkmale wie dunkelbraune Flecken ersetzen. Als Godfrey H. Hardy und Wilhelm Weinberg 1908 unabhängig voneinander über dieses Rätsel nachdachten, leiteten sie unabhängig voneinander eine Theorie ab, die heute als Hardy-Weinberg-Prinzip bekannt ist und durch diese Gleichung repräsentiert wird.

Das Prinzip besagt, dass in Abwesenheit von Evolution, d.h. im Gleichgewicht, die Allel- und Genotyphäufigkeiten einer Population von einer Generation zur nächsten konstant bleiben. Um diese Gleichung zu verstehen, gehen wir zurück zum Beispiel der Giraffe. Der Großbuchstabe A steht für das braune Allel, da es dominant ist, und der Kleinbuchstabe a steht für das braune Allel, weil es rezessiv ist. Die Häufigkeit dieser beiden Allele in der Population wird als p bzw. q bezeichnet. Woher kennen wir also die Allelfrequenz? Nun, jedes Individuum hat zwei Allele. In diesem Beispiel sind 40 % der Allele im Genpool tan. Somit beträgt die Häufigkeit des tanfarbenen Allels p 0,4 und die Häufigkeit des braunen Allels q 0,6. Beachten Sie, dass p plus q immer gleich eins ist.

Kehren wir nun zur Hardy-Weinberg-Gleichung zurück. Jeder Term in der Gleichung steht für eine Genotyp-Häufigkeit. Die Häufigkeit des homozygoten dominanten Genotyps ist p zum Quadrat, und der homozygote rezessive Genotyp wird durch q zum Quadrat dargestellt. Der heterozygote Genotyp besteht aus zwei pq. Der Grund, warum wir hier mit zwei multiplizieren, ist, dass es zwei verschiedene Möglichkeiten gibt, einen heterozygoten Genotyp zu erzeugen. Zusammengenommen repräsentieren sie alle 100 % der Genotypen. Also eine Gesamtfrequenz von eins. Mit den Werten für p und q aus unserem Giraffenbeispiel können wir die Genotypverteilung der Farbgenallele in unserer Giraffenpopulation bestimmen. Daher sind nach dem Hardy-Weinberg-Prinzip im Gleichgewicht 16 % der Giraffenpopulation homozygot dominant, 48 % heterozygot und 36 % homozygot rezessiv.

Um dieses Gleichgewicht zu wahren, besagt das Hardy-Weinberg-Gleichgewichtsprinzip, dass eine Population fünf Hauptannahmen erfüllen sollte. Es sollte eine zufällige Paarung geben, eine große Populationsgröße, keine Mutation, keine Selektion auf das betreffende Gen und kein Genfluss in oder aus der Population. Die meisten natürlichen Populationen verletzen mindestens eine dieser Annahmen, so dass ein Gleichgewicht selten ist... aber trotzdem wird das Prinzip als Nullmodell für die Populationsgenetik verwendet. Durch den Vergleich dieser erwarteten Werte mit der tatsächlichen Genotyphäufigkeit in einer Population kann festgestellt werden, ob sich diese Population im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht befindet. Wenn nicht, bedeutet dies, dass eine Form der Evolution oder Änderung der Allelfrequenz stattfindet.

Ein allgemeines Missverständnis über die Evolution ist, dass sie natürliche Selektion erfordert, um stattzufinden. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Genetische Drift ist ein Mechanismus, durch den Evolution ohne natürliche Selektion stattfinden kann. Sie ist definiert als eine zufällige Veränderung der Allelfrequenz einer Population. Um uns das vorzustellen, gehen wir zurück zum Beispiel einer Giraffenpopulation und stellen uns vor, dass ihre Allele von Hellbraun und Braun durch Murmeln in zwei verschiedenen Farben dargestellt werden. Wir gehen hier davon aus, dass jede Farbe gleich häufig vorkommt. Wenn wir aus dieser Population eine neue Generation hervorbringen würden, müssten wir Paare von Individuen züchten und somit aus vier Allelen pro Paar auswählen. Wenn wir ein Brutpaar zufällig auswählen, dann könnten wir am Ende zwei Murmeln jeder Farbe haben. Allein durch Zufall gibt es bei einigen Paarungen jedoch nur eine farbige Murmel oder drei von einer Farbe und eine der anderen. Diese zufälligen Abweichungen von 50-50 über mehrere Paarungen zur Schaffung einer neuen Generation könnten bedeuten, dass die nächste Generation nicht mehr die gleiche Mischung aller Allel aufweist.

Es ist diese Variation der relativen Allelfrequenzen im Laufe der Zeit, die die genetische Drift definiert. Im Gegensatz zur adaptiven Evolution, bei der sich die Allelfrequenz ändert, um Merkmale auszuwählen, die für die Umwelt geeignet sind, wie z. B. Marienkäfer mit einer größeren Menge an Melanin, die in kälteren Klimazonen aufgrund einer verbesserten Fähigkeit, Wärme zu absorbieren, besser überleben, stellt die genetische Drift eine Art von Evolution dar, die ausschließlich auf stochastische Veränderungen zurückzuführen ist. Zum Beispiel die zufällige Entfernung eines Teils einer Bevölkerung durch ein katastrophales Ereignis.

In diesem Lab führen Sie Computer- und Farbperlensimulationen des Hardy-Weinberg-Gleichgewichts und der genetischen Drift in einer Population durch und testen dann, was passiert, wenn Annahmen über das Gleichgewicht verletzt werden.