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

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Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

9-12

Biology

Evolution

Mechanisms

Hardy-Weinberg and Genetic Drift

<ul><li><a href="#" data-time="7">Modellazione matematica
</a></li><li><a href="#" data-time="21">Simulazione per Hardy-Weinberg e la deriva genetica
</a></li></ul>

<ul class="lab-items"><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrediente" data-value="Perline colorate (ogni colore, 10 colori diversi)">Perline colorate (ogni colore, 10 colori diversi)</div>
								<div class="ingrediente-quantità">
									<span class="amount" data-value="500">500</span>
									<span class="unità" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrediente" data-value="Laptop con funzionalità di foglio di calcolo">Laptop con funzionalità di foglio di calcolo</div>
								<div class="ingrediente-quantità">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unità" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrediente" data-value="Sacchetto di carta">Sacchetto di carta</div>
								<div class="ingrediente-quantità">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unità" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrediente" data-value="Contenitori di plastica extra per perline">Contenitori di plastica extra per perline</div>
								<div class="ingrediente-quantità">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unità" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li data-lab-item="1">
								<div class="ingrediente" data-value="Piatto di carta">Piatto di carta</div>
								<div class="ingrediente-quantità">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unità" data-value=""></span>
								</div>
							</li></ul>

hardy-weinberg e la deriva genetica

<ol class="note-items">
	<li data-note-item="1" data-parent-collapse="">Modellazione Matematica<button class="expand">Expand</button>
	<ul class="lab-items">
		<li data-sub-note-item="1-1">
		<div class="lab-step">Prima di iniziare l'esercizio di modellazione matematica, assicurati che ogni computer abbia accesso a un programma software per fogli di calcolo online o offline.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
	<li data-note-item="2" data-parent-collapse="">Simulazione per Hardy-Weinberg e Deriva Genetica<button class="expand">Espandi</button>
	<ul class="lab-items">
		<li data-sub-note-item="2-1">
		<div class="lab-step">Prepara un set di perline per ogni coppia di studenti contando 50 di un colore e poi 50 di un secondo colore, per un totale di 100 perline.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-2">
		<div class="lab-step">Allora, metti le perline in un sacchetto di carta.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-3">
		<div class="lab-step">Gli studenti avranno anche bisogno di perline extra per regolare la composizione della popolazione e queste possono essere fornite in un contenitore comune per l'intera classe o gli istruttori possono creare set aggiuntivi per ogni coppia di studenti.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-4">
		<div class="lab-step">Successivamente, crea dei foglietti di carta e scrivi su di essi i diversi scenari sperimentali che testeranno le violazioni dell'Equilibrio di Hardy-Weinberg.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-5">
		<div class="lab-step">Allora, crea una seconda serie di foglietti di carta per determinare quale scenario di deriva genetica gli studenti testeranno.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-6">
		<div class="lab-step">Infine, imposta eventuali perline aggiuntive necessarie per gli scenari sperimentali elencati sulle strisce.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item="2-7">
		<div class="lab-step">NOTA: Saranno necessarie altre 50 perline in un terzo colore per la violazione della mutazione, e un set extra di 100 perline nei primi due colori per lo scenario del flusso genico. Per simulare l'effetto fondatore con 10 alleli e il disastro naturale con 10 scenari alleli, seleziona casualmente 100 perline da 10 colori diversi.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
</ol>

<div class="section-question"><h4 class="question-sect">Cos'è il principio di Hardy-Weinberg e perché è utile?</h4><p>Il principio di Hardy-Weinberg afferma che in assenza di evoluzione, le frequenze alleliche di una popolazione rimarranno le stesse nel corso delle generazioni. Questo principio viene utilizzato come modello nullo per la genetica delle popolazioni e consente agli scienziati di comprendere i meccanismi evolutivi.
</p></div><div class="section-question"><h4 class="question-sect">Come si calcola l'equilibrio di Hardy-Weinberg?</h4>...

Hardy-Weinberg e la deriva genetica


Modellazione matematicaEspandi
	
Prima di iniziare l'esercizio di modellazione matematica, assicurati che ogni computer abbia accesso a un sistema online o offline.

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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

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Heredity: Inheritance and Variation of Traits

HS-LS3-3

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SC.912.L.15.12

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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>Gli scienziati una volta si sono chiesti perché i tratti dominanti come le macchie di giraffa color marrone chiaro non diventino più frequenti con ogni generazione e sostituiscano i tratti recessivi come le macchie marrone scuro. Pensando a questo enigma, nel 1908, indipendentemente l'uno dall'altro, Godfrey H. Hardy e Wilhelm Weinberg derivarono indipendentemente una teoria, oggi nota come principio di Hardy-Weinberg e rappresentata da questa equazione. </p>
<p>Il principio afferma che in assenza di evoluzione, cioè all'equilibrio, le frequenze alleliche e genotipiche di una popolazione rimarranno costanti da una generazione all'altra. Per capire questa equazione, torniamo all'esempio della giraffa. La A maiuscola rappresenta l'allele tan poiché è dominante, e la a minuscola è per l'allele bruno perché è recessivo. La frequenza di questi due alleli nella popolazione è designata rispettivamente come p e q. Quindi, come facciamo a conoscere la frequenza allelica? Bene, ogni individuo ha due alleli. In questo esempio, il 40% degli alleli nel pool genetico sono abbronzati. Pertanto, la frequenza dell'allele tan, p, è 0,4 e la frequenza dell'allele marrone, q, è 0,6. Si noti che p più q è sempre uguale a uno. </p>
<p>Ora torniamo all'equazione di Hardy-Weinberg. Ogni termine nell'equazione rappresenta una frequenza del genotipo. La frequenza del genotipo omozigote dominante è p al quadrato e l'omozigote recessivo è rappresentato da q al quadrato. Il genotipo eterozigote è due pq. La ragione per cui moltiplichiamo per due qui è che ci sono due modi diversi di generare un genotipo eterozigote. Combinati, questi rappresentano tutti il 100% dei genotipi. Quindi, una frequenza totale di uno. Utilizzando i valori di p e q del nostro esempio della giraffa, possiamo determinare la distribuzione del genotipo degli alleli del gene del colore nella nostra popolazione di giraffe. Pertanto, secondo il principio di Hardy-Weinberg, all'equilibrio, il 16% della popolazione di giraffe sarà omozigote dominante, il 48% sarà eterozigote e il 36% sarà omozigote recessivo. </p>
<p>Per mantenere questo equilibrio, il principio dell'equilibrio di Hardy-Weinberg afferma che una popolazione dovrebbe soddisfare cinque ipotesi principali. Ci dovrebbero essere accoppiamenti casuali, grandi dimensioni della popolazione, nessuna mutazione, nessuna selezione sul gene in questione e nessun flusso genico dentro o fuori la popolazione. La maggior parte delle popolazioni naturali viola almeno una di queste assunzioni e quindi l'equilibrio è raro... ma nonostante ciò, il principio viene utilizzato come modello nullo per la genetica delle popolazioni. Confrontando questi valori attesi con l'effettiva frequenza del genotipo in una popolazione, si può determinare se quella popolazione è in equilibrio di Hardy-Weinberg. In caso contrario, significa che è in corso una qualche forma di evoluzione o cambiamento nella frequenza allelica. </p>
<p>Un malinteso generale sull'evoluzione è che richieda la selezione naturale per avvenire. Tuttavia, non è sempre così. La deriva genetica è un meccanismo attraverso il quale l'evoluzione può avvenire senza la selezione naturale. È definito come un cambiamento nella frequenza allelica di una popolazione dovuto al caso. Per immaginare questo, torniamo all'esempio di una popolazione di giraffe e immaginiamo che i loro alleli di marrone chiaro e marrone siano rappresentati da biglie di due colori diversi. Supponiamo qui che ogni colore inizi ugualmente abbondante. Se dovessimo iniziare una nuova generazione di questa popolazione, avremmo bisogno di allevare coppie di individui e quindi selezionare tra quattro alleli per coppia. Se selezioniamo una coppia riproduttiva a caso, potremmo ritrovarci con due biglie di ogni colore. Tuttavia, solo per caso, alcuni abbinamenti avranno un solo colore marmo, oppure tre di un colore e uno dell'altro. Queste deviazioni casuali da 50-50 su più accoppiamenti per creare una nuova generazione potrebbero significare che la generazione successiva non ha più una miscela uguale di ciascun allele. </p>
<p>È questa variazione delle frequenze relative degli alleli nel tempo che definisce la deriva genetica. Pertanto, a differenza dell'evoluzione adattativa, in cui la frequenza allelica cambia per selezionare i tratti adatti all'ambiente, come le coccinelle con una maggiore quantità di melanina che sopravvivono meglio nei climi più freddi a causa di una migliore capacità di assorbire il calore, la deriva genetica rappresenta un tipo di evoluzione che è puramente dovuta al cambiamento stocastico. Ad esempio, la rimozione casuale di una parte di una popolazione attraverso un evento catastrofico. </p>
<p>In questo laboratorio, eseguirai simulazioni al computer e di perline colorate dell'equilibrio di Hardy-Weinberg e della deriva genetica in una popolazione, quindi testerai cosa succede quando le ipotesi dell'equilibrio vengono violate.</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

Il cambiamento evolutivo è interessante e importante da studiare, ma i cambiamenti nelle popolazioni si verificano per lunghi periodi di tempo e in enormi spazi fisici e sono ...

hardy-weinberg-tests-for-population-change

Metti alla prova la tua comprensione di Hardy-Weinberg e la deriva genetica con questo quiz di valutazione di Biology su JoVE Lab Manual. Copre concetti chiave attraverso domande basate su video progettate per valutare l'apprendimento degli studenti.

Hardy-Weinberg e la deriva genetica - Quiz di Valutazione | JoVE Lab Manual

Segui le procedure passo dopo passo di Hardy-Weinberg e la deriva genetica in questo video di protocollo studente di 16 minuti. Parte della collezione Biology su JoVE Lab Manual.

Protocollo studente per Hardy-Weinberg e la deriva genetica in Biology - Oltre 8.6K visualizzazioni | 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 ...

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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
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Simulating Natural Selection
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Hardy-Weinberg Principle

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Genetic Drift

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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 ...

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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 ...

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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

Cos'è il principio di Hardy-Weinberg e perché è utile?

Lab Prep

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