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

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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">수학적 모델링
</a></li><li><a href="#" data-time="21">Hardy-Weinberg 및 유전적 부동에 대한 시뮬레이션
</a></li></ul>

<ul class="lab-items"><li data-lab-item="1">
								<div class="ingredient" data-value="컬러 비즈 (각 색상, 10가지 색상)">컬러 비즈 (각 색상, 10가지 색상)</div>
								<div class="성분 양">
									<span class="amount" data-value="500">500</span>
									<span class="unit" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li 데이터 랩 항목 = "1">
								<div class="ingredient" data-value="스프레드시트 기능이 있는 노트북">스프레드시트 기능이 있는 노트북</div>
								<div class="성분 양">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unit" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li 데이터 랩 항목 = "1">
								<div class="ingredient" data-value="종이 봉지">종이 봉지</div>
								<div class="성분 양">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unit" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li 데이터 랩 항목 = "1">
								<div class="ingredient" data-value="구슬용 여분의 플라스틱 용기">구슬용 여분의 플라스틱 용기</div>
								<div class="성분 양">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unit" data-value=""></span>
								</div>
							</li><li 데이터 랩 항목 = "1">
								<div class="ingredient" data-value="종이 접시">종이 접시</div>
								<div class="성분 양">
									<span class="amount" data-value="5">5</span>
									<span class="unit" data-value=""></span>
								</div>
							</li></ul>

하디-와인버그(hardy-weinberg)와 유전적 부동(genetic drift)

<ol class="note-items">
	<li data-note-item = "1"data-parent-collapse = "> 수학적 모델링 <button class = "확장">확장</button>
	<ul class="실험실 항목">
		<li data-sub-note-item = "1-1">
		<div class="lab-step">수학적 모델링 연습을 시작하기 전에 각 컴퓨터가 온라인 또는 오프라인 스프레드시트 소프트웨어 프로그램에 액세스할 수 있는지 확인하십시오.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
	<li data-note-item="2" data-parent-collapse=">Hardy-Weinberg 및 유전적 부동에 대한 시뮬레이션<button class="확장">확장</button>
	<ul class="실험실 항목">
		< 데이터 하위 메모 항목 = "2-1">
		<div class="lab-step">한 가지 색상의 50개와 두 번째 색상의 50개를 세어 총 100개의 구슬을 만들어 각 쌍의 학생을 위해 한 세트의 구슬을 준비합니다.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item = "2-2">
		<div class="lab-step">그런 다음 구슬을 종이 봉지에 넣습니다.</div>
		</li>
		< 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
		<div class="lab-step">학생들은 또한 인구 구성을 조정하기 위해 여분의 구슬이 필요하며, 이는 전체 학급을 위한 공동 용기에 제공되거나 강사가 각 학생 쌍에 대해 추가 세트를 만들 수 있습니다.</div>
		</li>
		< 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
		<div class="lab-step">다음으로, 종이 쪽지를 만들고 여기에 Hardy-Weinberg Equilibrium의 위반을 테스트할 다양한 실험 시나리오를 작성하십시오.</div>
		</li>
		< 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
		<div class="lab-step">그런 다음 학생들이 테스트할 유전적 부동(genetic drift) 시나리오를 결정하기 위해 두 번째 종이 쪽지 세트를 만듭니다.</div>
		</li>
		<li data-sub-note-item = "2-6">
		<div class="lab-step">마지막으로 스트립에 나열된 실험 시나리오에 필요한 추가 비드를 설정합니다.</div>
		</li>
		< 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
		<div class="lab-step">참고: 돌연변이 위반을 위해서는 세 번째 색상의 구슬 50개가 추가로 필요하고, 유전자 흐름 시나리오의 경우 처음 두 색상의 구슬 100개 세트가 추가로 필요합니다. 10개의 대립유전자로 파운더효과(founder effect)를 시뮬레이션하고 10개의 대립유전자로 자연재해를 시뮬레이션하려면 10가지 색상에서 100개의 구슬을 무작위로 선택합니다.</div>
		</li>
	</ul>
	</li>
</ol>

<div class="section-question"><h4 class="question-sect">Hardy-Weinberg 원칙은 무엇이며 왜 유용합니까?</h4><p>Hardy-Weinberg 원리는 진화가 없을 경우 개체군의 대립유전자 빈도가 여러 세대에 걸쳐 동일하게 유지된다는 것입니다. 이 원리는 집단 유전학의 귀무 모델로 사용되며 과학자들이 진화 메커니즘을 이해할 수 있도록 합니다.
</p></div><div class="section-question"><h4 class="question-sect">Hardy-Weinberg 평형은 어떻게 계산됩니까?</h4><p>Hardy-Weinberg 평형은 평형 상태에서 유전자형 빈도를 계산하기 위해 개별 유전자형에 대한 각 대립유전자(p 및 q)의 빈도를 곱하여 계산됩니다.  <em>p</em><sup>2</sup> + 2<em>pq</em> + <em>q</em><sup>2</sup> = 1; <em>p</em> + <em>q</em> = 1
</p></div><div class="section-question">...

하디-와인버그(Hardy-Weinberg)와 유전적 부동(genetic drift)


수학적 모델링Expand
	
수학적 모델링 연습을 시작하기 전에 각 컴퓨터가 온라인 또는 오프라인에 액세스 할 수 있는지 확인하십시오.

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실험 매뉴얼 하위 항목

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

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Life Science

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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

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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>과학자들은 한때 황갈색 기린 반점과 같은 우세한 형질이 세대를 거듭할수록 더 빈번해지지 않고 짙은 갈색 반점과 같은 열성 형질을 대체하는 이유를 궁금해했습니다. 이 수수께끼에 대해 생각하면서 1908년에 Godfrey H. Hardy와 Wilhelm Weinberg는 서로 독립적으로 오늘날 Hardy-Weinberg 원리로 알려진 이 방정식으로 표현되는 이론을 독립적으로 도출했습니다. </p>
<p>이 원칙은 진화가 없을 때, 즉 평형 상태에서는 개체군의 대립유전자 및 유전자형 빈도가 한 세대에서 다음 세대로 일정하게 유지된다는 것입니다. 이 방정식을 이해하기 위해 기린의 예로 돌아가 보겠습니다. 대문자 A는 우성이기 때문에 tan 대립유전자를 나타내고, 소문자 a는 열성이기 때문에 갈색 대립유전자를 나타냅니다. 집단에서 이 두 대립유전자의 빈도는 각각 p와 q로 지정됩니다. 그렇다면 대립유전자 빈도를 어떻게 알 수 있을까요? 글쎄요, 각 개인은 두 개의 대립유전자를 가지고 있습니다. 이 예에서는 유전자 풀에 있는 대립유전자의 40%가 황갈색입니다. 따라서 황갈색 대립유전자의 빈도 p는 0.4이고 갈색 대립유전자 q의 빈도는 0.6입니다. p 더하기 q는 항상 1과 같습니다. </p>
<p>이제 하디-와인버그 방정식으로 돌아가 보겠습니다. 방정식의 각 항은 하나의 유전자형 빈도를 나타냅니다. 동형접합 우성 유전자형의 빈도는 p 제곱이고 동형접합 열성은 q 제곱으로 표시됩니다. 이형접합 유전자형은 2pq입니다. 여기서 2를 곱하는 이유는 이형접합 유전자형을 생성하는 두 가지 다른 방법이 있기 때문입니다. 이 모든 것을 합치면 유전자형의 100%를 나타냅니다. 따라서 총 빈도는 1입니다. 기린 예제의 p 및 q 값을 사용하여 기린 개체군에서 색 유전자 대립유전자의 유전자형 분포를 결정할 수 있습니다. 따라서 Hardy-Weinberg 법칙에 따라 평형 상태에서 기린 개체군의 16%는 동형접합 우성, 48%는 이형접합성, 36%는 동형접합 열성입니다. </p>
<p>이 균형을 유지하기 위해 Hardy-Weinberg Equilibrium Principle은 인구가 5가지 주요 가정을 충족해야 한다고 말합니다. 무작위 짝짓기가 있어야 하고, 개체군 크기가 크고, 돌연변이가 없어야 하고, 문제의 유전자에 대한 선택이 없어야 하며, 개체군 안팎으로 유전자가 흘러나오지 않아야 합니다. 대부분의 자연 개체군은 이러한 가정들 중 적어도 하나를 위반하기 때문에 평형은 드물다...그러나 그럼에도 불구하고, 이 원리는 집단 유전학을 위한 귀무 모델로 사용된다. 이러한 기대값을 집단의 실제 유전자형 빈도와 비교함으로써 해당 집단이 Hardy-Weinberg Equilibrium에 있는지 여부를 결정할 수 있습니다. 그렇지 않다면, 이것은 대립유전자 빈도의 어떤 형태의 진화 또는 변화가 일어나고 있음을 의미합니다. </p>
<p>진화에 대한 일반적인 오해는 진화가 일어나기 위해서는 자연선택이 필요하다는 것이다. 그러나 항상 그런 것은 아닙니다. 유전적 부동(genetic drift)은 자연선택 없이 진화가 일어날 수 있는 하나의 메커니즘이다. 그것은 우연으로 인한 개체군의 대립유전자 빈도의 변화로 정의됩니다. 이를 상상하기 위해 기린 개체군의 예로 돌아가서 황갈색과 갈색의 대립유전자가 두 가지 다른 색의 대리석으로 표현된다고 상상해 보겠습니다. 여기서는 각 색상이 똑같이 풍부하게 시작한다고 가정합니다. 이 개체군에서 새로운 세대를 시작하려면 개체 쌍을 번식시켜야 하므로 쌍당 4개의 대립유전자 중에서 선택해야 합니다. 무작위로 번식 쌍을 선택하면 각 색상의 두 개의 구슬로 끝날 수 있습니다. 그러나 우연히도 일부 쌍에는 한 가지 색상의 대리석만 있거나 한 가지 색상의 대리석과 다른 색상의 한 가지가 있습니다. 새로운 세대를 만들기 위해 여러 쌍에 걸쳐 50-50의 이러한 확률 편차는 다음 세대가 더 이상 각 대립유전자의 동일한 혼합을 가지고 있지 않다는 것을 의미할 수 있습니다. </p>
<p>시간이 지남에 따라 상대적 대립유전자 빈도의 이러한 변화가 유전적 부동을 정의합니다. 그러므로, 멜라닌 수치가 더 많은 무당벌레가 열을 흡수하는 능력이 향상되어 추운 기후에서 더 잘 생존하는 것과 같이 환경에 적합한 형질을 선택하기 위해 대립유전자 빈도가 변경되는 적응 진화와 달리, 유전적 부동은 순전히 확률적 변화에 기인하는 진화의 한 유형을 나타냅니다. 예를 들어, 재앙적인 사건을 통해 개체군의 한 부분을 무작위로 제거하는 것입니다. </p>
<p>이 실험실에서는 집단의 Hardy-Weinberg 평형 및 유전적 부동에 대한 컴퓨터 및 컬러 비드 시뮬레이션을 수행한 다음 평형의 가정을 위반할 때 어떤 일이 발생하는지 테스트합니다.</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

진화적 변화는 흥미롭고 연구하는 것이 중요하지만 개체군의 변화는 장기간에 걸쳐 거대한 물리적 공간에서 발생하며 ...

hardy-weinberg-tests-for-population-change

JoVE Lab Manual의 이 Biology 평가 퀴즈로 하디-와인버그(Hardy-Weinberg)와 유전적 부동(genetic drift)에 대한 이해를 테스트하세요. 학생 학습을 평가하도록 고안된 동영상 기반 질문을 통해 주요 개념을 다룹니다.

하디-와인버그(Hardy-Weinberg)와 유전적 부동(genetic drift) - 평가 퀴즈 | JoVE Lab Manual

16분 길이의 학생 프로토콜 영상을 통해 하디-와인버그(Hardy-Weinberg)와 유전적 부동(genetic drift) 절차를 단계별로 따라 해보세요. JoVE Lab Manual의 Biology 컬렉션의 일부입니다.

Biology의 하디-와인버그(Hardy-Weinberg)와 유전적 부동(genetic drift) 학생 프로토콜 - 8.6K+ 조회수 | 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 ...

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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

Hardy-Weinberg 원칙은 무엇이며 왜 유용합니까?

Hardy-Weinberg 평형은 어떻게 계산됩니까?

Lab Prep

Transcript

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