Hardy-Weinberg i dryf genetyczny

Naukowcy zastanawiali się kiedyś, dlaczego cechy dominujące, takie jak brązowe plamy żyrafy, nie stają się częstsze z każdym pokoleniem i nie zastępują cech recesywnych, takich jak ciemnobrązowe plamy. Zastanawiając się nad tą zagadką, w 1908 roku, niezależnie od siebie, Godfrey H. Hardy i Wilhelm Weinberg niezależnie wyprowadzili teorię, znaną dziś jako zasada Hardy'ego-Weinberga i reprezentowaną przez to równanie.

Zasada mówi, że w przypadku braku ewolucji, tj. w stanie równowagi, częstości alleli i genotypów populacji pozostaną stałe z pokolenia na pokolenie. Aby zrozumieć to równanie, wróćmy do przykładu z żyrafą. Wielka litera A reprezentuje allel brązowy, ponieważ jest dominujący, a mała litera a oznacza brązowy allel, ponieważ jest recesywny. Częstość występowania tych dwóch alleli w populacji jest oznaczona odpowiednio jako p i q. Skąd więc znamy częstość występowania alleli? Cóż, każda osoba ma dwa allele. W tym przykładzie 40% alleli w puli genowej jest brązowych. Zatem częstość allelu brązowego, p, wynosi 0,4, a częstość allelu brązowego, q, wynosi 0,6. Zauważ, że p plus q jest zawsze równe jeden.

Wróćmy teraz do równania Hardy'ego-Weinberga. Każdy składnik w równaniu reprezentuje jedną częstość genotypu. Częstość występowania homozygotycznego genotypu dominującego wynosi p do kwadratu, a homozygotycznego recesywnego reprezentowanego przez q do kwadratu. Genotyp heterozygotyczny to dwa pq. Powodem, dla którego mnożymy tutaj przez dwa, jest to, że istnieją dwa różne sposoby generowania heterozygotycznego genotypu. Razem wszystkie one reprezentują 100% genotypów. Zatem całkowita częstotliwość wynosząca jeden. Korzystając z wartości p i q z naszego przykładu żyrafy, możemy określić rozkład genotypu alleli genów koloru w naszej populacji żyraf. Dlatego, zgodnie z zasadą Hardy'ego-Weinberga, w stanie równowagi 16% populacji żyraf będzie homozygotycznie dominujących, 48% będzie heterozygotycznych, a 36% będzie homozygotycznych recesywnych.

Aby utrzymać tę równowagę, zasada równowagi Hardy'ego-Weinberga mówi, że populacja powinna spełniać pięć głównych założeń. Powinno być losowe kojarzenie, duża liczebność populacji, brak mutacji, brak selekcji danego genu i brak przepływu genów do lub z populacji. Większość naturalnych populacji narusza co najmniej jedno z tych założeń, więc równowaga jest rzadka... ale pomimo tego, zasada ta jest używana jako model zerowy dla genetyki populacyjnej. Porównując te oczekiwane wartości z rzeczywistą częstością występowania genotypu w populacji, można określić, czy populacja ta znajduje się w równowadze Hardy'ego-Weinberga. Jeśli nie, oznacza to, że ma miejsce jakaś forma ewolucji lub zmiany w częstości alleli.

Ogólnym błędnym przekonaniem na temat ewolucji jest to, że wymaga ona doboru naturalnego, aby mogła zaistnieć. Jednak nie zawsze tak jest. Dryf genetyczny jest jednym z mechanizmów, dzięki którym ewolucja może zachodzić bez doboru naturalnego. Definiuje się ją jako zmianę częstości występowania alleli w populacji spowodowaną przypadkiem. Aby to sobie wyobrazić, wróćmy do przykładu populacji żyraf i wyobraźmy sobie, że ich allele brązowego i brązowego są reprezentowane przez kulki w dwóch różnych kolorach. Założymy tutaj, że każdy kolor zaczyna się równie obfito. Gdybyśmy mieli rozpocząć nowe pokolenie z tej populacji, musielibyśmy rozmnażać pary osobników, a tym samym wybierać spośród czterech alleli na parę. Jeśli wybierzemy losowo parę hodowlaną, możemy otrzymać dwie kulki każdego koloru. Jednak tylko przez przypadek niektóre pary będą miały tylko jeden kolor marmuru lub trzy w jednym kolorze i jeden w drugim. Te przypadkowe odchylenia od 50-50 w wielu parach w celu stworzenia nowego pokolenia mogą oznaczać, że następne pokolenie nie ma już równej mieszanki każdego allelu.

To właśnie ta zmienność względnych częstości alleli w czasie definiuje dryf genetyczny. Dlatego, w przeciwieństwie do ewolucji adaptacyjnej, w której częstotliwość alleli zmienia się w celu selekcji cech odpowiednich dla środowiska, takich jak biedronki z większą ilością melaniny, które lepiej przeżywają w chłodniejszym klimacie ze względu na lepszą zdolność do pochłaniania ciepła, dryf genetyczny reprezentuje rodzaj ewolucji, który jest spowodowany wyłącznie zmianą stochastyczną. Na przykład losowe usunięcie części populacji w wyniku katastrofy.

W tym laboratorium przeprowadzisz komputerowe i kolorowe symulacje równowagi Hardy'ego-Weinberga i dryfu genetycznego w populacji, a następnie przetestujesz, co się stanie, gdy założenia równowagi zostaną naruszone.