Name: genetic drift simulation and hardy-weinberg lab prep
Uploaded: 2019-01-31T09:26:08.000Z
Duration: 1 min 53 s
Channel: JoVE

K12 Standards

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

9-12

Biology

Evolution

Mechanisms

Hardy-Weinberg and Genetic Drift

<ul><li><a href="# » data-time="7">Modélisation mathématique
</a></li><li><a href="# » data-time="21">Simulation pour Hardy-Weinberg et la dérive génétique
</a></li></ul>

<ul class="lab-items"><li data-lab-item="1">
								<div class="ingredient » data-value="Perles colorées (chaque couleur, 10 couleurs différentes)">Perles colorées (chaque couleur, 10 couleurs différentes)</div>
								<div class="quantité-d’ingrédient">
									<span class="quantité » data-value="500">500</span>
									<span class="unité » data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrédient » data-value="Ordinateur portable avec capacité de tableur">Ordinateur portable avec capacité de feuille de calcul</div>
								<div class="quantité-d’ingrédient">
									<span class="montant » data-value="5">5</span>
									<span class="unité » data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrédient » data-value="Sac en papier">Sac en papier</div>
								<div class="quantité-d’ingrédient">
									<span class="montant » data-value="5">5</span>
									<span class="unité » data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrédient » data-value="Contenants en plastique supplémentaires pour les perles">Contenants en plastique supplémentaires pour les perles</div>
								<div class="quantité-d’ingrédient">
									<span class="montant » data-value="5">5</span>
									<span class="unité » data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrédient » data-value="Assiette en carton">Assiette en carton</div>
								<div class="quantité-d’ingrédient">
									<span class="montant » data-value="5">5</span>
									<span class="unité » data-value=""></span>
								</div>
							</li></ul>

hardy-weinberg et la dérive génétique

<ol class="éléments-notes">
	<li data-note-item="1 » data-parent-collapse="">Modélisation mathématique<button class="expand">Expand</button>
	<ul class="éléments-de-laboratoire">
		<li data-sub-note-item="1-1">
		<div class="lab-step">Avant de commencer l’exercice de modélisation mathématique, assurez-vous que chaque ordinateur a accès à un tableur en ligne ou hors ligne.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
	<li data-note-item="2 » data-parent-collapse=">Simulation pour Hardy-Weinberg et la dérive génétique<button class="expand">Expand</button>
	<ul class="éléments-de-laboratoire">
		<li data-sub-note-item="2-1">
		<div class="lab-step">Préparez un ensemble de perles pour chaque paire d’élèves en comptant 50 d’une couleur, puis 50 d’une deuxième couleur, pour un total de 100 perles.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-2">
		<div class="lab-step">Ensuite, placez les perles dans un sac en papier.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-3">
		<div class="lab-step">Les étudiants auront également besoin de perles supplémentaires pour ajuster la composition de la population et celles-ci peuvent être fournies dans un conteneur commun pour toute la classe ou les instructeurs peuvent créer des ensembles supplémentaires pour chaque paire d’étudiants.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-4">
		<div class="lab-step">Ensuite, créez des bouts de papier et écrivez dessus les différents scénarios expérimentaux qui testeront les violations de l’équilibre de Hardy-Weinberg.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-5">
		<div class="lab-step">Ensuite, créez une deuxième série de bordereaux pour déterminer quel scénario de dérive génétique les étudiants vont tester.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-6">
		<div class="lab-step">Enfin, indiquez toutes les billes supplémentaires nécessaires pour les scénarios expérimentaux listés sur les bandelettes.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-7">
		<div class="lab-step">REMARQUE : 50 perles supplémentaires dans une troisième couleur seront nécessaires pour la violation de mutation, et un ensemble supplémentaire de 100 perles dans les deux premières couleurs pour le scénario de flux de gènes. Pour simuler l’effet fondateur avec 10 allèles et les scénarios de catastrophe naturelle avec 10 allèles, sélectionnez au hasard 100 perles de 10 couleurs différentes.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
</ol>

<div class="section-question"><h4 class="question-sect">Qu’est-ce que le principe de Hardy-Weinberg et pourquoi est-il utile ?</h4><p>Le principe de Hardy-Weinberg stipule qu’en l’absence d’évolution, les fréquences allèles d’une population resteront les mêmes au fil des générations. Ce principe est utilisé comme modèle nul pour la génétique des populations et permet aux scientifiques de comprendre les mécanismes évolutifs.
</p></div><div class="section-question"><h4 class="question-sect">Comment l’équilibre de Hardy-Weinberg est-il calculé ?</...

Hardy-Weinberg et la dérive génétique


Modélisation mathématiqueExpand
	
Avant de commencer l’exercice de modélisation mathématique, assurez-vous que chaque ordinateur a accès à un ...

Education

Enseignement

JoVE Lab Manual

Biologie

Évolution

Lab Manual Sub Articles

Sous-articles du manuel de laboratoire

genetic drift simulation and hardy-weinberg lab prep

<p class="jove_content">Genetic drift simulation and Hardy-Weinberg lab prep use beads and spreadsheet software to model changes in allele frequencies. Before starting the mathematical modeling exercise, make sure each computer has access to either online or offline spreadsheet software.</p>

<p class="jove_content">For the simulation, prepare one set of beads for each pair of students. Count out 50 beads of one color and 50 beads of a second color for a total of 100 beads, and place them in a paper bag. Students will also need extra beads to adjust the population makeup, and those can be kept in a shared class container or set up as additional bead sets for each pair.</p>

<p class="jove_content">Next, create paper slips that list the experimental scenarios used to test violations of Hardy-Weinberg equilibrium. Make a second set of slips to choose which genetic drift scenario the students will test. Set out any extra beads needed for those scenarios. A mutation violation needs 50 additional beads in a third color, and a gene flow scenario needs an extra set of 100 beads in the first two colors.</p>

<p class="jove_content">For the founder effect with 10 alleles and the natural disaster with 10 alleles, randomly select 100 beads from 10 different colors. This setup lets students compare how different population changes affect the model during the Hardy-Weinberg and genetic drift activity.</p>

Genetic Drift Simulation and Hardy-Weinberg Lab Prep

genetic-drift-simulation-and-hardy-weinberg-lab-prep

hardy-weinberg and genetic drift

Allele Frequency Shifts in Small Populations

Allele frequency shifts in small populations can be explored with the Hardy-Weinberg equation and genetic drift. In this activity, students model how dominant and recessive alleles change from one generation to the next. They use both a spreadsheet simulation and a bead-based lab to track those changes over time.<br /><br />The spreadsheet model begins with p, the frequency of allele A, and q, the frequency of allele B. Students enter starting values, then use random formulas and a concatenate function...

Genetic drift simulation and Hardy-Weinberg lab prep use beads and spreadsheet software to model changes in allele frequencies. Before starting the mathematical modeling exercise, make sure each computer has access to either online or offline spreadsheet software.<br /><br />For the simulation, prepare one set of beads for each pair of students. Count out 50 beads of one color and 50 beads of a second color for a total of 100 beads, and place them in a paper bag. Students will also need extra beads to...

lab manual sub articles

Set up a Hardy-Weinberg and genetic drift simulation with beads, paper slips, and spreadsheet software. Includes mutation, gene flow, founder effect, and natural disaster scenarios.

Genetic Drift Simulation and Hardy-Weinberg Lab Prep | JoVE K12

Next Generation Science Standards

High School

Life Science

heredity-inheritance-and-variation-of-traits

Heredity: Inheritance and Variation of Traits

HS-LS3-3

Florida Department of Education

SC.912.L.15

SC.912.L.15.12

SC.912.L.15.14

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

Inheritance and Variation of Traits

HS-LS3-3.

Natural Selection and Evolution

HS-LS4-1.

HS-LS4-3.

Georgia Standards of Excellence

SB6.d

<p>Les scientifiques se sont un jour demandé pourquoi les traits dominants comme les taches de girafe de couleur beige ne deviennent pas plus fréquents à chaque génération et ne remplacent pas les traits récessifs comme les taches brun foncé. En réfléchissant à cette énigme, en 1908, indépendamment l’un de l’autre, Godfrey H. Hardy et Wilhelm Weinberg ont indépendamment dérivé une théorie, aujourd’hui connue sous le nom de principe de Hardy-Weinberg et représentée par cette équation. </p>
<p>Le principe stipule qu’en l’absence d’évolution, c’est-à-dire à l’équilibre, les fréquences des allèles et des génotypes d’une population resteront constantes d’une génération à l’autre. Pour comprendre cette équation, revenons à l'exemple de la girafe. Le A majuscule représente l’allèle beige puisqu’il est dominant, et le a minuscule représente l’allèle brun car il est récessif. La fréquence de ces deux allèles dans la population est désignée respectivement par p et q. Alors, comment connaissons-nous la fréquence des allèles ? Eh bien, chaque individu a deux allèles. Dans cet exemple, 40 % des allèles du pool génétique sont beige. Ainsi, la fréquence de l’allèle bronzé, p, est de 0,4, et la fréquence de l’allèle brun, q, est de 0,6. Notez que p plus q est toujours égal à un. </p>
<p>Revenons maintenant à l'équation de Hardy-Weinberg. Chaque terme de l’équation représente la fréquence d’un génotype. La fréquence du génotype homozygote dominant est p carré, et le génotype homozygote récessif est représenté par q au carré. Le génotype hétérozygote est de deux pq. La raison pour laquelle nous multiplions par deux ici est qu’il existe deux façons différentes de générer un génotype hétérozygote. Ensemble, ils représentent tous 100 % des génotypes. Donc, une fréquence totale de un. En utilisant les valeurs de p et q de notre exemple de girafe, nous pouvons déterminer la distribution du génotype des allèles du gène de couleur dans notre population de girafes. Par conséquent, selon le principe de Hardy-Weinberg, à l’équilibre, 16 % de la population de girafes sera homozygote dominante, 48 % sera hétérozygote et 36 % sera homozygote récessive. </p>
<p>Pour maintenir cet équilibre, le principe d’équilibre de Hardy-Weinberg stipule qu’une population doit répondre à cinq hypothèses principales. Il devrait y avoir un accouplement aléatoire, une grande taille de population, aucune mutation, aucune sélection sur le gène en question et aucun flux de gènes à l’intérieur ou à l’extérieur de la population. La plupart des populations naturelles violent au moins une de ces hypothèses et l’équilibre est donc rare... mais malgré cela, le principe est utilisé comme un modèle nul pour la génétique des populations. En comparant ces valeurs attendues à la fréquence réelle du génotype dans une population, il est possible de déterminer si cette population est en équilibre de Hardy-Weinberg. Si ce n’est pas le cas, cela signifie qu’une certaine forme d’évolution ou de changement de fréquence allélique a lieu. </p>
<p>Une idée fausse générale sur l’évolution est qu’elle nécessite une sélection naturelle pour se produire. Cependant, ce n’est pas toujours le cas. La dérive génétique est un mécanisme par lequel l’évolution peut se produire sans sélection naturelle. Il est défini comme un changement de la fréquence allélique d’une population dû au hasard. Pour imaginer cela, reprenons l'exemple d'une population de girafes et imaginons que leurs allèles de beige et de brun soient représentés par des billes de deux couleurs différentes. Nous supposerons ici que chaque couleur commence par être également abondante. Si nous devions commencer une nouvelle génération à partir de cette population, nous aurions besoin d’élever des couples d’individus et donc de choisir parmi quatre allèles par couple. Si nous sélectionnons un couple reproducteur au hasard, nous pourrions nous retrouver avec deux billes de chaque couleur. Cependant, par hasard seul, certains appariements n’auront qu’une seule couleur de bille, ou trois d’une couleur et l’une de l’autre. Ces écarts aléatoires de 50-50 sur plusieurs appariements pour créer une nouvelle génération pourraient signifier que la génération suivante n’a plus un mélange égal de chaque allèle. </p>
<p>C'est cette variation des fréquences allèles relatives au fil du temps qui définit la dérive génétique. Par conséquent, contrairement à l’évolution adaptative, où la fréquence des allèles change pour sélectionner des traits adaptés à l’environnement, comme les coccinelles avec une plus grande quantité de mélanine qui survivent mieux dans les climats plus froids en raison d’une meilleure capacité à absorber la chaleur, la dérive génétique représente un type d’évolution purement dû au changement stochastique. Par exemple, l’élimination aléatoire d’une partie d’une population à la suite d’un événement catastrophique. </p>
<p>Dans cet atelier, vous allez effectuer des simulations informatiques et de billes colorées de l’équilibre de Hardy-Weinberg et de la dérive génétique dans une population, puis vous allez tester ce qui se passe lorsque les hypothèses de l’équilibre sont violées.</p>

hardy-weinberg tests for population change

<p class="jove_content">Hardy-Weinberg tests help scientists check whether a population is changing over time. Because evolution happens slowly and over large areas, researchers often use mathematical models to study it. These models use measurable data and computer simulations to predict how allele frequencies may shift across many generations.</p>

<p class="jove_content">The Hardy-Weinberg equilibrium equation is one common model. It was developed independently in 1908 by G. H. Hardy and Wilhelm Weinberg. The equation gives the expected allele frequency for a population that is not evolving, so it serves as a useful null hypothesis. If measured allele frequencies do not match the prediction, the gene may be undergoing evolutionary change.</p>

<p class="jove_content">The model is written as p2 + 2pq + q2 = 1. In this equation, p is the frequency of the dominant allele and q is the frequency of the recessive allele. The three terms represent the expected frequencies of the three diploid genotypes: homozygous dominant, heterozygous, and homozygous recessive. The allele version of the model is p + q = 1, since the two allele frequencies must total 1 in the population.</p>

<p class="jove_content">Hardy-Weinberg also depends on a set of assumptions. The population must be very large and closed, which means no individuals move in or out. There must be no mutations in the gene being studied. Individuals must mate at random, and natural selection must not be acting. When real data breaks one or more of these assumptions, the model can help point to what may be happening.</p>

<p class="jove_content">Genetic drift is one reason a small population can change by chance alone. This violates the large-population assumption of Hardy-Weinberg. One form of genetic drift is the founder effect. It happens when a small group leaves and starts a new isolated population. The genes carried by those founders shape future generations. In an extreme case, if the founders are all homozygous recessive, the dominant allele can disappear and the recessive allele can reach 100%.</p>

<p class="jove_content">A similar pattern is called the bottleneck effect. It can occur after a natural disaster, human intervention, or disease causes a major drop in population size. Genetic drift is not necessarily adaptive, because it does not specifically favor traits that fit the environment. Even so, it is an important evolutionary force in small populations and can create differences from Hardy-Weinberg predictions. In larger populations, those differences are more likely to suggest natural selection.</p>

<p class="jove_content">Scientists also use Hardy-Weinberg testing in modern studies of human and animal populations. One focus is how immune system genes relate to susceptibility to infectious disease. Researchers study genes such as CCR5 and the major histocompatibility complex, or MHC, called HLA in humans. By comparing genetic data with disease data, they can find patterns showing that some individuals are more resistant to certain infections while others are more likely to become ill. These studies have helped explain how infections have influenced evolution.</p>

Hardy-Weinberg Tests for Population Change

Le changement évolutif est intéressant et important à étudier, mais les changements dans les populations se produisent sur de longues périodes de temps et dans d’immenses espaces physiques et sont ...

hardy-weinberg-tests-for-population-change

Testez votre compréhension de Hardy-Weinberg et la dérive génétique avec ce quiz d'évaluation de Biology sur JoVE Lab Manual. Couvre les concepts clés à travers des questions basées sur des vidéos conçues pour évaluer l'apprentissage des étudiants.

Hardy-Weinberg et la dérive génétique - Quiz d'évaluation | JoVE Lab Manual

Suivez les procédures étape par étape de Hardy-Weinberg et la dérive génétique dans cette vidéo de protocole étudiant de 16 minutes. Fait partie de la collection Biology sur JoVE Lab Manual.

Protocole étudiant de Hardy-Weinberg et la dérive génétique dans Biology - 8.6K+ vues | JoVE Lab Manual

What is Natural Selection?

Natural selection is an evolutionary process in which individuals with survival-promoting traits reproduce at higher rates. These favorable traits become ...

Types of Selection

Natural selection influences the frequencies of particular alleles and phenotypes within populations in several different ways. Primarily, natural ...

Frequency-dependent Selection

When the fitness of a trait is influenced by how common it is (i.e., its frequency) relative to different traits within a population, this is referred to ...

Limits to Natural Selection

Organisms that are well-adapted to their environment are more likely to survive and reproduce. However, natural selection does not lead to perfectly ...

Natural Selection

Fitness
Widespread variation of phenotypes in natural populations provides the raw material for evolution, which is the change in the inherited traits of ...

Simulating Natural Selection
ExpandTo prepare for the lab, set out workstations for each student pair containing 6 white, 6 black, and 13 gray 12 inch ...

Simulating Natural Selection
ExpandTo begin, cut the white, black, and gray pipe cleaners into quarters, which should produce a total of 100 pieces that ...

Artificial Selection

Natural Selection and Adaptive Evolution
In natural settings, adaptive evolution takes place by natural selection, a process in which differences in ...

Observing Artificial Selection in Plants
ExpandTwo weeks before beginning the pollination experiments, collect a sufficient amount of small pots with a ...

Observing Artificial Selection in Plants 
ExpandTo begin the experiment, collect five two-week old grown plants from the generation one population that ...

What is Population Genetics?

A population is composed of members of the same species that simultaneously live and interact in the same area. When individuals in a population breed, ...

Hardy-Weinberg Principle

Diploid organisms have two alleles of each gene, one from each parent, in their somatic cells. Therefore, each individual contributes two alleles to the ...

Mutation, Gene Flow, and Genetic Drift

In a population that is not at Hardy-Weinberg equilibrium, the frequency of alleles changes over time. Therefore, any deviations from the five conditions ...

Genetic Drift

Natural selection&#x2014;probably the most well-known evolutionary mechanism&#x2014;increases the prevalence of traits that enhance survival and ...

Gene Flow

Gene flow is the transfer of genes among populations, resulting from either the dispersal of gametes or from the migration of individuals.

This ...

Evolutionary change is interesting and important to study, but changes in populations occur over long periods of time and in huge physical spaces and are ...


	Mathematical ModelingExpand
	
		
		Before beginning the mathematical modeling exercise make sure each computer has access to an either on or offline ...

Class Simulation
ExpandBegin by opening a new spreadsheet file. Following the Hardy-Weinberg equation where p is the frequency of a dominant allele A in a ...

Mechanisms
• Natural selection
• Mutation
• Genetic drift
• Gene flow (immigration, emigration)
• Sexual selection

Content elaboration: Natural selection is used to describe the process by which traits become more or less common in a population due to consistent environmental pressures upon the survival and reproduction of individuals with the trait. Mathematical reasoning is applied to solve problems (e.g., use Hardy-Weinberg principle to explain deviations in observed gene frequency patterns in a population compared to expected patterns based on the assumptions of the principle). Populations evolve over time. Evolution through natural selection is the consequence of the interactions of:
1. The potential for a population to increase its numbers; 
2. The genetic variability of offspring due to mutation and recombination of genes; 
3. A finite supply of the resources required for life; and 
4. The differential survival and reproduction of individuals based on phenotype(s). 
Mutations are described in the content elaboration for Heredity. Apply the knowledge of mutation and genetic drift to real-world examples. Biological evolution explains the natural origins for the diversity of life. Emphasis shifts from thinking in terms of selection of individuals with a particular trait to changing proportions of a trait in populations as a result of the mechanisms of natural selection, genetic drift, movement of genes into and out of populations and sexual selection.

Taxonomy

Taxonomy is the science of defining and naming groups of biological organisms based on shared characteristics. It uses a hierarchy of increasingly ...

Phylogeny

Phylogeny is concerned with the evolutionary diversification of organisms or groups of organisms. A group of organisms with a name is called a taxon ...

evolutionary-relationships-through-genome-comparisons

Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

Genome comparison is one of the excellent ways to interpret the evolutionary relationships between organisms. The basic principle of genome comparison is ...

Genome Copying Errors

DNA replication is a well-evolved process that copies millions of base pairs with high fidelity during each cell division. Occasionally a wrong base or a ...

Phylogenetic Trees

Synteny and Evolution

John H. Renwick first coined the term &#8220;synteny&#8221; in 1971, which refers to the genes present on the same chromosomes, even if they are not ...

Multi-species Conserved Sequences

Next-generation sequencing technologies have created large genomic databases of a variety of animals and plants. Ever since the human genome project was ...

Gene Duplication and Divergence

The seminal work of Ohno in 1970 popularized the idea of gene duplication and divergence. DNA sequence comparison studies reveal that a large portion of ...

Exon Recombination

The evolution of new genes is critical for speciation. Exon recombination, also known as exon shuffling or domain shuffling, is an important means of new ...

comparing-copy-number-variations-and-snps

Comparing Copy Number Variations and SNPs

Sequencing of the human genome has opened up several best-kept secrets of the genome. Scientists have identified thousands of genome variations that exist ...

Speciation
• Biological classification expanded to molecular evidence
• Variation of organisms within a species due to population genetics and gene frequency

Content elaboration: Biological classification expanded to molecular evidence
Classification systems are frameworks, developed by scientists, for describing the diversity of organisms; indicating the degree of relatedness among organisms. Recent molecular sequence data generally support earlier hypotheses regarding lineages of organisms based upon morphological comparisons. Both morphological and molecular comparisons can be used to describe patterns of biodiversity (cladograms present hypotheses to explain descent from a common ancestor with modification). The concept of descent from a common ancestor with modification provides a natural explanation for the diversity of life on Earth as partially represented in the fossil record and in the similarities of existing species. 
Variation of organisms within a species due to population genetics and gene frequency
Different phenotypes result from new combinations of existing genes or from mutations of genes in reproductive cells. At the high school level, the expectation is to combine grade 8 knowledge with an explanation of genes and the function of chromosomes. Natural selection works on the phenotype. Heritable characteristics influence how likely an organism is to survive and reproduce in a particular environment. When an environment changes, the survival value of inherited characteristics may change. This may or may not cause a change in species that inhabit the environment. Use real-world examples to illustrate natural selection, gene flow, sexual selection, and genetic drift.

Speciation

Genetic Drift Simulation and Hardy-Weinberg Lab Prep

Learning Objectives

Qu’est-ce que le principe de Hardy-Weinberg et pourquoi est-il utile ?

Lab Prep

Transcript

Tags

More videos by Standards