Один из самых важных принципов популяционная генетика, изучение генетического состава и различий в популяциях, является Принцип равновесия Харди-Вайнберга. Также описывается как генетическое равновесиеЭтот принцип дает генетические параметры для популяции, которая не эволюционирует. В такой популяции генетическая изменчивость и естественный отбор не происходят, и население не испытывает изменений в генотип и аллель частоты из поколения в поколение.
Принцип Харди-Вайнберга была разработана математиком Годфри Харди и врачом Вильгельмом Вайнбергом в начале 1900-х годов. Они создали модель для прогнозирования частоты генотипов и аллелей в не развивающейся популяции. Эта модель основана на пяти основных предположениях или условиях, которые должны быть выполнены, чтобы популяция существовала в генетическом равновесии. Эти пять основных условий следующие:
Условия, необходимые для генетического равновесия, являются идеализированными, поскольку мы не видим, чтобы они возникали одновременно в природе. Таким образом, эволюция происходит в популяции. Основываясь на идеализированных условиях, Харди и Вайнберг разработали уравнение для прогнозирования генетических результатов в развивающейся популяции с течением времени.
Это уравнение, п2 + 2pq + q2 = 1также известен как Уравнение равновесия Харди-Вайнберга.
Это полезно для сравнения изменений частоты генотипов в популяции с ожидаемыми результатами популяции при генетическом равновесии. В этом уравнении п2 представляет прогнозируемую частоту гомозиготных доминирующие лица в популяции, 2pq представляет прогнозируемую частоту гетерозиготный отдельные лица и Q2 представляет прогнозируемую частоту гомозиготных рецессивных особей. При разработке этого уравнения Харди и Вайнберг расширили Менделевские принципы генетики наследования популяционной генетики.
Одним из условий, которые должны соблюдаться для равновесия Харди-Вайнберга, является отсутствие мутации в популяции. Мутации постоянные изменения в последовательности генов ДНК. Эти изменения меняют гены и аллели, приводящие к генетической изменчивости в популяции. Хотя мутации вызывают изменения в генотипе популяции, они могут или не могут производить наблюдаемые, или фенотипические изменения. Мутации могут влиять на отдельные гены или целые хромосомы. Генные мутации обычно происходят как точечные мутации или вставки / удаления базовой пары. При точечной мутации изменяется единица нуклеотида, изменяя последовательность гена. Вставки / делеции пар оснований вызывают мутации сдвига рамки, в которых рамка, с которой ДНК читается во время синтез белка смещен. Это приводит к производству неисправного белки. Эти мутации передаются последующим поколениям через Репликация ДНК.
Хромосомные мутации может изменить структуру хромосомы или количество хромосом в клетке. Структурные изменения хромосом происходят в результате дублирования или поломки хромосомы. Если кусок ДНК отделится от хромосомы, он может переместиться в другую позицию на другой хромосоме (транслокация), она может полностью изменяться и вставляться обратно в хромосому (инверсия), или она может потеряться во время деление клеток (Удаление). Эти структурные мутации изменяют генные последовательности на хромосомной ДНК, вызывая вариабельность генов. Мутации хромосом также происходят из-за изменений в количестве хромосом. Это обычно происходит из-за поломки хромосомы или из-за неспособности хромосом правильно отделиться (нерасщепление) во время мейоз или митоз.
При равновесии Харди-Вайнберга поток генов не должен происходить в популяции. Поток генаили миграция генов происходит, когда частоты аллелей в изменении популяции, когда организмы мигрируют в или из популяции. Миграция из одной популяции в другую вводит новые аллели в существующий генофонд через половое размножение между членами двух групп населения. Поток генов зависит от миграции между отдельными популяциями. Организмы должны быть способны преодолевать большие расстояния или поперечные барьеры (горы, океаны и т. Д.), Чтобы мигрировать в другое место и внедрять новые гены в существующую популяцию. В немобильных популяциях растений, таких как покрытосеменныепоток генов может происходить как пыльца переносится ветром или животными в отдаленные места.
Организмы, мигрирующие из популяции, также могут изменять частоты генов. Удаление генов из генофонда уменьшает появление специфических аллелей и изменяет их частоту в генофонде. Иммиграция вносит генетические изменения в население и может помочь населению адаптироваться к изменениям окружающей среды. Однако иммиграция также затрудняет оптимальную адаптацию в стабильных условиях. эмиграция генов (поток генов из популяции) может обеспечить адаптацию к локальной среде, но также может привести к потере генетического разнообразия и возможному исчезновению.
Очень большое население, один бесконечного размератребуется для равновесия Харди-Вайнберга. Это условие необходимо для того, чтобы бороться с воздействием генетический дрейф. Генетический дрейф описывается как изменение частоты аллелей популяции, которое происходит случайно, а не путем естественного отбора. Чем меньше население, тем больше влияние генетического дрейфа. Это связано с тем, что чем меньше население, тем больше вероятность того, что некоторые аллели станут фиксированными, а другие станут потухший. Удаление аллелей из популяции изменяет частоты аллелей в популяции. Частоты аллелей, скорее всего, будут поддерживаться в больших популяциях из-за появления аллелей у большого числа людей в популяции.
Генетический дрейф не является результатом адаптации, но происходит случайно. Аллели, которые существуют в популяции, могут быть полезными или вредными для организмов в популяции. Два типа событий способствуют генетическому дрейфу и чрезвычайно низкому генетическому разнообразию в популяции. Первый тип событий известен как узкое место населения. Узкие места населения в результате аварии населения, которая происходит из-за какого-то типа катастрофического события, которое уничтожает большинство населения. Выжившая популяция имеет ограниченное разнообразие аллелей и Генофонд из которого рисовать. Второй пример генетического дрейфа наблюдается в так называемой эффект основателя. В этом случае небольшая группа людей отделяется от основного населения и создает новое население. Эта колониальная группа не имеет полного представления аллелей исходной группы и будет иметь разные частоты аллелей в сравнительно меньшем генофонде.
Случайное спаривание еще одно условие, необходимое для равновесия Харди-Вайнберга в популяции. При случайном спаривании индивидуумы спариваются без предпочтения выбранных характеристик у своего потенциального спаривания. Чтобы поддерживать генетическое равновесие, это спаривание должно также привести к производству одинакового количества потомков для всех самок в популяции. Не случайно спаривание обычно наблюдается в природе через половой отбор. В половой отборчеловек выбирает себе пару по признакам, которые считаются предпочтительными. Черты, такие как яркие перья, грубая сила или большие рога, указывают на более высокую пригодность.
Женщины, в большей степени, чем мужчины, избирательны в выборе партнеров, чтобы повысить шансы на выживание для своих детей. Неслучайные спаривания изменяют частоты аллелей в популяции, так как индивидуумы с желаемыми чертами выбираются для спаривания чаще, чем те, у кого нет этих черт. В некоторых вид, только избранные лица попадают в мат. На протяжении поколений аллели отобранных особей будут чаще встречаться в генофонде популяции. Таким образом, половой отбор способствует популяционная эволюция.
Для существования популяции в равновесии Харди-Вайнберга естественный отбор не должен происходить. Естественный отбор является важным фактором в биологическая эволюция. Когда происходит естественный отбор, люди в популяции, которые являются лучшими адаптированы к их среде выжить и произвести больше потомства, чем люди, которые не так хорошо приспособлены. Это приводит к изменению генетического состава популяции, поскольку более благоприятные аллели передаются популяции в целом. Естественный отбор изменяет частоты аллелей в популяции. Это изменение вызвано не случайностью, как в случае с генетическим дрейфом, а результатом адаптации к окружающей среде.
Среда устанавливает, какие генетические вариации являются более благоприятными. Эти изменения происходят в результате нескольких факторов. Генная мутация, поток генов и генетическая рекомбинация во время полового размножения все факторы, которые вносят изменения и новые комбинации генов в популяции. Черты, поддерживаемые естественным отбором, могут быть определены одним геном или многими генами (полигенные признаки). Примеры естественно выбранных признаков включают модификацию листа в плотоядные растения, сходство листьев у животныхи адаптивное поведение Защитные механизмы, такие как играть мертвым.